Всем доброго времени суток! В предыдущих постах я рассказывал о логических элементах – «кирпичиках» слагающих фундамент цифровой техники и об их назначениях. В этом посте я расскажу более подробно о применении цифровых микросхем содержащих логические элементы.

Простейшие схемы

Первая схема представляет собой простейший пробник для прозвонки электрических цепей. С помощью данного пробника можно определить надёжность электрического контакта, найти обрыв в цепи, проверить исправность резисторов и полупроводниковых диодов и транзисторов.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схема пробника для прозвонки электрической цепи.

Опишем его работу. При разомкнутых щупах ХТ на входах логического элемента DD1 относительно общего провода устанавливается высокий логический уровень напряжения. Соответственно на выходе элемента DD1 будет низкий логический уровень, при этом светодиод VD1 не будет гореть. Если щупы замкнуть между собой, то на входе DD1 будет низкий логический уровень, а на выходе – высокий. Светящийся диод сообщит о том, что выходы замкнуты между собой. Таким образом, при подключении щупов к исправной цепи будет загораться светодиод, а если светодиод не горит – значит, в цепи имеется обрыв.

Следующая схема, представленная ниже, представляет собой логический пробник. Предназначенный он для определения логического уровня напряжения в электрических цепях цифровых устройств.

Схема логического пробника.

В исходном состоянии на входах логического элемента DD1 и выходе DD2 устанавливается высокий логический уровень, соответственно светодиод VD1 горит. При включении светодиодов в цепь с высоким логическим уровнем светодиод VD1 продолжает гореть, а когда на входе DD1 появится низкий логический уровень, то светодиод VD1 соответственно погаснет.

Дальнейшее повествование о применении цифровых микросхем не возможно без знания внутреннего устройства цифровых ТТЛ и КМОП микросхем и их передаточных характеристиках.

Внутреннее устройство цифровых микросхем ТТЛ

Все семейства цифровых микросхем, основываются на базовых логических элементах. Для всех микросхем семейства ТТЛ таким элементом является элемент 2И-НЕ, который имеет следующее внутреннее устройство. Ниже показано схема элемента 2И-НЕ и его переходная характеристика

Схема базового элемента ТТЛ 2И-НЕ и его переходная характеристика.

На входе элемента стоит многоэмиттерный транзистор VT1, затем усилительный каскад на транзисторе VT2 и двухтактный выходной каскада на транзисторах VT3, VT4.

Опишем работу логического элемента 2И-НЕ. В исходном состоянии входное напряжение не превышает 0,5 В, а эмиттерный переход транзистора VT1 открыт, данного напряжения не достаточно для перевода коллекторного перехода в открытое состояние, то же относится и к эмиттерным переходам транзисторов VT2, VT4. Поэтому данные транзисторы закрыты, а транзистор VT3 – открыт, напряжением, поступающим с R2. Диод VD3 оказывается открытым и на выходе элемента напряжение составляет примерно 3…4 В (точка А). Когда начинается увеличиваться напряжение на эмиттерах VT1, то транзистор VT2 начинает открываться, а транзистор VT3 плавно закрываться (участок А – Б). Дальнейшее увеличение напряжения на входном транзисторе приводит к тому, что транзистор VT2 ещё больше открывается, напряжение на R3 тоже возрастает и открывается транзистор VT4. В результате, эмиттерный переход транзистора VT4 шунтирует резистор R3, и транзистор VT2 резко открывается, а напряжение на выходе элемента уменьшается. В этот момент (участок Б – В) все транзисторы открыты и находятся в активном режиме. Если продолжать увеличивать входное напряжение, то транзисторы VT2 и VT4 перейдут в режим насыщения (участок В – Г), а транзистор VT3 закроется и значение выходного напряжения станет равным напряжению насыщения транзистора VT4, а ток будет ограничен резистором R4.

Участок Б – В переходной характеристики можно использовать для обработки аналоговых сигналов, в данном режиме переходная характеристика обладает высокой линейностью и максимальной потребляемой мощностью.

Внутреннее устройство цифровых микросхем КМОП

Так же как и в ТТЛ семействе, КМОП микросхемах базовым элементом является 2И-НЕ, внутреннее устройство которого показано ниже

Схема базового элемента КМОП 2И-НЕ и его переходная характеристика.

В данном логическом элементе работают комплементарные полевые транзисторы. Транзисторы с каналом р-типа (VT1, VT2) подключены к положительному проводнику источника питания, с каналом n-типа (VT3, VT4) соединены последовательно.

При входном напряжении 2 В и менее транзисторы VT1 и VT2 открыты, так как напряжение на участках затвор – исток (при напряжении питания 9 В) составляет не менее 7 В. Напряжение на таких же участках транзисторов VT3 и VT4 оказывается недостаточным для их открывания, поэтому на выходе элемента будет напряжение, почти равное напряжению питания, то есть около 9 В (точка А). По мере увеличения входного напряжения транзисторы начинают открываться, а VT1 и VT2 закрываться. На участке А – Б этот процесс происходит сравнительно плавно, а на участке Б – В он ускоряется и наиболее линеен. В точке В транзисторы VT1 и VT2 почти полностью закрыты, а VT3 и VT4 открыты. Выходное напряжение в этом случае невелико и при дальнейшем увеличении входного напряжения до уровня источника питания оно стремиться к нулю (точка Г).

Логический элемент в линейном режиме

Использование логических элементов цифровых микросхем для работы с аналоговыми сигналами возможно лишь в случае, если их режим выведен в линейный или близкий к нему. Так в линейном режиме ТТЛ элемент эквивалентен усилителю к коэффициентом усиления 10 … 15 (примерно 20 дБ), а элемент КМОП – усилителю с коэффициентом усиления 10 … 20 (20 … 26 дБ).

Вывод логического элемента в линейный режим: слева-направо током, напряжением, обратной связью.

Для вывода логического элемента на линейный участок применяют различные способы. Один из них основан на включении на входе элемента ТТЛ резистора R. Этот резистор вызовет ток, который будет протекать через эмиттерный переход входного транзистора элемента ТТЛ. Изменяя сопротивление внешнего резистора, можно изменять напряжение на выходе элемента, то есть изменять положение его рабочей точки на передаточной характеристике. Для элементов ТТЛ сопротивление такого внешнего резистора составляет от 1 кОм до 3 кОм. Однако такой способ не применим для КМОП микросхем, так как они работают без выходных токов (есть токи утечки, но они малы и нестабильны).

Второй способ вывода логического элемента на рабочий режим может быть подача на вход соответствующего напряжения, например с помощью резистивного делителя. Так, для элементов ТТЛ середина линейного участка передаточной характеристики соответствует входное напряжение 1,5…1,8 В, а для КМОП 3…6 В (при напряжении питания 9 В). Для разных логических элементов это напряжение не одинаково, поэтому его подбирают опытным путём. Номиналы входных резисторов выбирают таким образом, что бы входные токи элементов не влияли на напряжение, снимаемое с резистивного делителя.

Третий способ, является наиболее эффективным, для этого создают отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току между входом и выходом элемента, благодаря чему рабочая точка автоматически поддерживается на требуемом участке передаточной характеристики и не требуется тщательного подбора внешних резисторов. Этот способ реализуется для логических элементов с инверсией входного сигнала: НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Сопротивление резистора в цепи ООС выбирают исходя из обеспечения элементу необходимого входного тока. Для элементов КМОП оно составляет от нескольких килоом до десятков мегаом, а для ТТЛ – от десятков Ом до 1 кОм. Но применение ООС снижает коэффициент усиления элемента.

Усилители на логических элементах

Для использования логических элементов в качестве усилителей сигналов необходимо вывести рабочую точку на линейный участок передаточной характеристики. Основные характеристики таких усилителей приведены в таблице ниже.

 

Серия	Схема вывода в линейный режим	КУС, дБ	Fmax, МГц	Рпотр мВт	Uвых, В	Rвх, кОм	Rвых, кОм	R1, кОм	R2, кОм
К155	OOC	18	40	20	1,2	0,6	0,05	0,68	0,68
	Ток	21				0,8		1,9	—
К176	ООС	25	5,5	5 … 20	1,5	0,4	0,05	7,5	5,1
	Ток	17	3 … 4		5,0	3,5	6	6,2	4
561	OOC	25				1000	7	1000	1000

 

Схема простейшего усилителя на элементе ТТЛ приведена ниже. Регулировка усилителя сводится к установке подстроечным резистором R1рабочей точки элемента на середине линейного участка передаточной характеристики.

Простейший усилитель на ТТЛ элементе

Недостатком простых усилителей является невысокое входное сопротивление, что ограничивает область их применения. К тому же коэффициент усиления небольшой. Устраняется данный недостаток использованием совместно с транзисторами. Коэффициент усиления повышается включением последовательно нескольких каскадов. Кроме того, цифровая микросхема содержит несколько идентичных элементов, это позволяет создавать многоканальные усилители. Примером может служить схема показанная ниже. Основные характеристики усилителя: коэффициент усиления – 50; выходное сопротивление 50 Ом, входное сопротивление 5 кОм, верхняя граничная частота 40 МГц.

Схема усилителя с транзистором на входе

Элементы КМОП также можно использовать для усилителей, схема одного из ни приведена ниже. Общий недостаток усилителей на элементах КМОП – высокое выходное сопротивление. Устранить его можно установкой на выходе логического элемента эмиттерного повторителя на транзисторе и включения его в цепь ООС.

Схемы усилителей на элементах КМОП.

Пороговые устройства на логических элементах

Пороговые устройства, называемые компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию. Простейшим пороговым устройством является триггер Шмитта, который описан в этом посте. Кроме формирования импульсов и восстановлении цифровых сигналов, пороговые устройства применяют в аналогово – цифровых преобразователях, генераторах импульсов различной формы.

Схема порогового устройстван на логических элементах.

По большёму счёту логический элемент является сам пороговым устройствам, однако его передаточная характеристика не совсем линейна. Для повышения линейности передаточной характеристики логического элемента, его необходимо охватить положительной обратной связью (ПОС) по постоянному току через резистор R2. В таком случае он превращается в своеобразный триггер Шмитта с возможностью регулирования пороговых напряжений. Ширина петли гистерезиса (разность между пороговыми напряжениями) зависит от соотношения номиналов резисторов R1 и R2. От этих же резисторов зависит и чувствительность. При увеличении R2 и уменьшении R1 чувствительность повышается, а ширина петли гистерезиса уменьшается. Для микросхем ТТЛ сопротивление R1 = 0,1 … 2 кОм, а R2 = 2 … 10 кОм. Пороговые устройства на КМОП элементах отличаются высокой экономичностью, а недостатком является низкая чувствительность. Для КМОП микросхем R1 – несколько десятков килоом, а R2 – несколько сотен килоом.

Генераторы на логических элементах

Цифровые микросхемы нашли широкое применение в схемах различных генераторов с частотами от долей герца до десятков мегагерц и самой различной формой импульса. Вообще генераторы представляют собой усилительный каскад или несколько, который охвачен частотно-зависимой обратной связью. В качестве таких цепей используют RC-, LC-, RLC-цепи, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.

Ниже показана схема генератора с RC частотно-зависимой цепью. Работа данного генератора связана с процессами зарядки-разрядки конденсатора С1 через резистор R1.

Схема RC-генератора

В данной схеме генератора через резистор R1 осуществляется ООС, которая выводит логический элемент в линейный режим, а через конденсатор С1 осуществляется частотно-зависимая ПОС. В таком генераторе используются как ТТЛ-элементы, так и КМОП. Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада с ООС, а емкость конденсатора – в зависимости от требуемой частоты колебаний. Частоту генерации можно определить по приближенной формуле

При работе такой генератор вырабатывает прямоугольные импульсы со скважностью примерно равной 2. Максимальная частота генерации ограниченна величиной задержки переключения логических элементов, так для КМОП микросхем максимальная частота составляет 2 … 4 МГц, а для ТТЛ – несколько десятков МГц.

С помощью цифровых микросхем можно также получить генератор синусоидального сигнала, для этого в качестве частотно-задающей цепи необходимо использовать LC-контур. Схема такого генератора приведена ниже.

Схема LC-генератора

В качестве частотно-зависимой связи применяются как последовательный так и параллельный колебательный контур, но в любом случае частота колебаний будет соответствовать формуле Томпсона

Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада.

Недостатком вышеописанных генераторов является невысокая стабильность генерируемой частоты. Для её повышения применяются пьезокерамические и кварцевые резонаторы, включая их в цепи обратной связи вместо конденсатора или колебательного контура.

Схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты

В данной схеме кварцевый резонатор ZQ1 применён в цепи обратной связи, конденсатор С2 служит для подавления паразитной генерации на частотах отличных от частоты кварцевого резонатора. Конденсатором С1 можно в небольших пределах подстроить частоту генерации. Величину конденсатора С2 выбирают ориентировочно: 1 нФ для частоты 10 МГц, 10 нФ для частоты 1 МГц. Конденсатор С1 может иметь значение от единиц пФ до нескольких нФ в зависимости от частоты кварцевого резонатора. Для повышения стабильности частоты на выходе генератора полезно будет установить буферный каскад на логическом элементе.