集成门电路组成的脉冲电路

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用集成门电路来组成各种脉冲电路,既灵活又方便。同分立元件相比,集成门电路由于元件少、线路简单,具有便于调试,易于维修,以及功耗低、体积小、开关速度快等优点。因而常常用与非门电路来组成双稳、单稳、多谐振荡器等脉冲电路。TTL与非门电路有单门,也有双门。双门就是在一块集成电路中有两个与非门,如7MY23,所以用一块双门就可以构成一个脉冲单元电路。MOS集成电路有四与非门、八与非门等,集成度更高,用一块集成门电路就可组成多个脉冲单元电路。

为了使读者对由与非门电路构成的各种脉冲电路有一个全面的、概括的了解,以便于比较、对照,识别各种脉冲电路的特点,掌握它们的功能,我们将各种脉冲电路的基本电路结构、电路特点、波形、常见实用电路以及用分立元件组成的相应电路等,排成了一张表格。下面逐个简要地说明用集成门电路组成的脉冲电路的工作原理。

图1
图1 🔍原图 (1807×1341)

一、双稳态电路

用两只单与非门电路组成的RS触发器就是双稳态电路。当从R端输入一个负脉冲时,Q-=“1”,Q=“0”,此后,R端电位不论如何跳变,都维持在这个稳态上。只有当从S端输入一个负脉冲时(此时R端必须为正电位),才能使触发器翻转为Q=“1”,Q-=“0”。这时,不论S端电位如何跳变,触发器始终保持这个稳态,除非再次从R端输入负脉冲。所以这个电路也称为置位复位触发器。

相对应的分立元件电路是集—基耦合双稳态电路。

二、微分型单稳态电路

分立元件单稳态电路和双稳态电路的差异,在于将双稳态电路中一边的电阻耦合换成电容耦合,利用电容器的充放电特性,形成暂稳态。在集成电路中,同样将基本RS触发器的两个与非门之间的一边换成电容耦合方式。

基本电路图中的电阻R很小,约500Ω以下,故P点电位呈低电平时是稳定状态。稳态时,门1开启,门1输出低电平,V\(_{A}\)=“0”,P点为低电平,门2关闭,门2输出高电平,VB=“1”。这时,如果从V\(_{sr}\)端输入负脉冲,门1因输入有“0” 而输出为“1”,VA= “1”,因电容两端的电压不能突变,V\(_{P}\)=“1”,使门2开启,VB=“0”,维持门1关闭。但这种状态是暂稳态,因为随着电容C的充电,充电电流随时间按指数规律下降,使流过R的电流逐渐减小,V\(_{p}\)电位亦按指数规律下降,当VP降到门2关门电平时,门2输出V\(_{B}\)= “1”,使门1开启,门1输出VA=“0”,暂稳态结束,又恢复到稳态。

从波形图看出,脉冲宽度决定于RC。在实际运用时,R可作细调,C作粗调。当C在10PF至0.1μF间时,脉冲宽度在100nS至100μS间;当C在100PF到几千μF间时,脉冲宽度可由0.1μS到秒数量级。

这里要注意一点,当输入脉冲宽度大于单稳输出脉冲宽度时,输入端要加微分电路。

为了隔离单稳电路和负载,常常在门2的输出端再加一级与非门作反相器,它还可起整形作用。

实际使用的微分型单稳态电路,如表中“常见实用电路”一栏所示那样,在RC微分电路和门2间加一级射极跟随器,这不仅可消除门2对RC电路的影响,而且使电阻R有较大的调节范围,R可以用到1KΩ。

三、积分型单稳态电路

积分型单稳态和微分型单稳态的区别,在于用RC积分电路代替RC微分电路。输入信号V\(_{sr}\)=“0”时,因Vsr同时送到门1和门2的输入端,使门1输出V\(_{A}\)和门2输出VB都等于“1”,门2输入端V\(_{P}\)=“1”,这是个稳态。

当V\(_{sr}\)=“1”时,VA=“0”,V\(_{B}\)=“0”,输出电平负跳变。但这是个暂稳态,因为门1的输出负跳变经RC积分电路后才到达P点,使P点电位VP逐渐下降,经延迟时间τ后,V\(_{P}\)恰好下降到门2的关门电平,输出端的VB就要由“0”变“1”,回到稳态。输出脉冲的宽度等于延迟时间τ。

基本电路所示的线路结构,要求输入脉冲宽度大于τ,这可以从波形图中虚线所示看出。如果输入脉冲很窄,则暂稳态还没有结束,积分延迟时间未到,V\(_{P}\)尚未下降到使门2关闭,输入脉冲的低电平已经强迫门1和门2关闭。这就失去了单稳电路的作用。为了克服这个缺点,改成“常见实用电路”栏中所示的线路。加入门4,则允许输入脉冲宽度比暂稳时间窄。门4起负或门作用,从门2输出的B点连到门4的一个输入端,当Vsr回到高电平时,因积分延迟时间τ尚未结束, V\(_{B}\)=“0”,用这个低电平封锁住门4。即门1输入端VE的高电平的维持,不是靠输入脉冲V\(_{sr}\),而是靠VB输出“0”电平来控制。在τ时间内,V\(_{B}\)=“0”,门4输出VE始终为“1”。这就消除了对输入脉冲宽度的依赖关系。门3起隔离负载作用,并对输出脉冲整形。

积分型单稳电路的应用十分广泛。在很多程序控制设备中,用这种单稳电路作延迟电路,使按照规定的先后顺序发出或传输脉冲,积分电路中的R可取200Ω~1KΩ,C可取100μF~20μF,使延迟时间约为20mS。

四、施密特电路

集成门电路组成的施密特电路,也具有整形和鉴幅的作用。我们结合波形图来分析一下基本电路。当输入信号V\(_{sr}\)由0上升到波形图中Q点时,门1翻转,门1输出VA=“0”,门2输出V\(_{B}\)=“1”。当输入信号Vsr下降到波形图S'点时,V\(_{A}\)=“1”,VB=“0”。当V\(_{sr}\)由S'点下降到P点以及由P点上升到下一个Q点之前,门1输出维持高电平,门2输出维持低电平。

上升时的触发电平Q和下降时的触发电平S'为什么不在同一电平上呢?关键在N点。因为门1开启的条件是两个输入端M和N都呈高电平,而只有当门2输出V\(_{B}\)=“1”(此时门1输出VA=“0”)时,V\(_{N}\)才等于“1”,这时二极管D截止。当门2输出VB=“0”时,N点电位由R\(_{1}\)、D、R2的分压决定。因此,要求输入信号V\(_{sr}\)不仅能使M点电位达到门1的开门电平,而且必须使N点电位也达到门1的开门电平,才能使门1开启,门2关闭,从而输出高电平。换句话说,必须使门1的输入电平偏移。所以,上触发电子QQ'可以理解为输入信号经R1、D、R\(_{2}\)分压后N点电位处于临界开门电平时的输入信号电位,而下触发电平SS'就只是门1处于临界关门状态时的输入信号电位。

由此可见,使施密特电路翻转和翻回去的输入电平有个差值,这个差值叫“回差”。存在回差是施密特电路的一个重要特性。回差大,抗干扰能力强,小于回差的干扰信号,经施密特电路后被去掉。但回差过分大,就不能鉴别幅度较小的波形。回差是可调的,当基本电路图中R\(_{2}\)固定,而R1增大时,N点的分压比就减小,V\(_{N}\)达到临界“1”电子所需要的输入信号电平更大,回差就增大。当R1=R\(_{2}\)时,回差最大。基本电路图中,可取R2=1KΩ,R\(_{1}\)=100Ω~1KΩ。

另一种形式的施密特电路如表中“常见实用电路”栏所示。在门1和门2组成的RS触发器中,R端和S端的触发电平不在同一值上,S端的触发电平,必须比门1的关门电平还低一个二极管的正向压降,这时门1才关闭,而R端的触发电平只要等于门2的关门电平,就可使门2关闭。二极管的正向压降就是这个电路的回差。这种电路的回差调节范围不大。二极管用普通2CP型即可。

相应的分立元件电路是射极耦合双稳态电路。

五、多谐振荡器

只要对照一下分立元件和集成电路的基本电路图,就可以看出,它们具有共同的特点——电容耦合。注意电容两端的电压不能突变,电容的充放电需要一定的时间,充放电曲线按指数规律变化,就能较易了解多谐振荡器的工作原理。

设门1输出由“0”变“1”,V\(_{A}\)=“1”,产生正跳变,经C1耦合,促使门2输出由“1”变“0”,V\(_{B}\)=“0”,又经C2耦合,保证门1输出为“1”,这就形成一个暂稳态,此时门1关闭而门2开启。

造成状态转化的主要因素是电容器的充放电。上述稳态刚形成,C\(_{1}\)就充电(C2放电),使V\(_{D}\)逐渐下降,经时间T1,V\(_{D}\)下降到门2的关门电平时,门2关闭,VB=“1”,经C\(_{2}\)耦合到门1输入端,促使门1开启,VA=“0”,又经C\(_{1}\)耦合到门2,使VB保持“1”状态,从而使多谐振荡器从第一个暂稳态转化成第二个暂稳态,此时门1开启而门2关闭。

此后,C\(_{2}\)充电(C1放电),经T\(_{2}\)时间后,VE下降到关门电平,经过正反馈,又回到第一暂稳态。就这样形成振荡。

改变RC可改变振荡周期,当R=1KΩ,C=100μF~100PF时,频率从几赫到几兆赫。

六、环形振荡器

环形振荡器是用奇数个与非门电路连接起来,并将最后一个与非门的输出反馈到第一个门电路的输入端。因为经过奇数次反相,电平相反,电路就一定要来回翻转,从而形成振荡。如果加入电阻和电容,就可以获得振荡频率可调的环形振荡器。

设第一个门电路输入端V\(_{A}\)由“1”变“0”,则门1关闭,门1输出端VB由“0”变“1”,这个正跳变一方面使门2开启,V\(_{C}\)由“1”变“0”,同时VB经电容C耦合,使D点电位V\(_{D}\)由“0”变“1”。VD=“1”而V\(_{C}\)=“0”。因为R1很小,D点电位和E点电位几乎相等,VD=VE= “1”,使门3开启,门3输出VF=“0”,从F点反馈到门1输入端,因VA=“0”,所以这是一个稳态。由于V\(_{B}\)是经电容C耦合到D点的,这个稳态是暂时的。电容C经电阻R充电,使D点电位逐渐降低,当VD、V\(_{E}\)降到门3关门电平时,门3输出VF=“1”。经反馈线使门1开启,V\(_{B}\)=“0”,这个负跳变一方面使门2关闭,VC=“1”,同时V\(_{B}\)经电容耦合,使VD和V\(_{E}\)下跳到“0”,这又保证了门3关闭,达到另一个稳态。

但是这个稳态也是暂时的,因V\(_{B}\)=“0”,VC=“1”,电容C将被反向充电,使V\(_{D}\)逐渐上升,门3开启,回复到第一暂稳态。这种周期性变化的继续,就形成振荡。

R可用2K电位器,R\(_{1}\)=120Ω,这时频率随电容量的大小而变,电容为100μF时,周期可达秒数量级,当电容小到15PF时,频率可达几兆赫。

当采用表中“常见实用电路”栏的线路时,即在门3前面加一个射极跟随器,频率调节范围增大十倍以上,电位器阻值可增大到10KΩ左右。(凌肇元)