КМОП-тригер Шмітта - унікальний універсальний компонент конструкції

Наши партнеры ArtmMisto

Автор перекладу: Одинець Олександр Леонідович, м.Мінськ, Білорусь
[email protected] http://Dynamic-Lights.narod.ru http://Art-Of-Light.narod.ru
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ.
Схема тригера Шмітта знаходить застосування в найширшому спектрі додатків, як аналогових, так і цифрових. В інтегральному виконанні логічні елементи з тригерами Шмітта випускаються в багатьох серіях. Такі елементи входять до складу як ТТЛШ (К531, К555, КР1533), так і КМОП-серій (КР1554, КР1564, КР1594 і ін.). Універсальність ТТЛШ-тригера Шмітта обмежена вузьким діапазоном живлячих напруг (зазвичай 4,5 - 5,5 В), обмеженими можливостями узгодження за рівнями напруги з іншими серіями, низьким вхідним опором і незбалансованою вихідний характеристикою. Взагалі кажучи, тригер Шмітта може бути виконаний і на дискретних елементах (транзисторах, діодах, резисторах і т.д.), але якщо потрібно знайти компромісне рішення за кількома параметрами одночасно, то це вже буде не просте завдання. Крім того, технологія виробництва мікроелектронних виробів дозволяє виготовити на одному кристалі декілька (зазвичай 4 - 6) тригерів Шмітта з практично однаковими параметрами. Тригер Шмітта, виготовлений по КМОП технології, в порівнянні з ТТЛШ-тригером Шмітта, має цілу низку переваг. Тому він використовується в тих додатках, де останній виявиться непрацездатний. Ці програми включають: узгодження операційних підсилювачів з цифровими схемами, передача і прийом сигналів при роботі на довгі лінії, схеми перетворювачів рівня і деякі інші. Тригер Шмітта, виконаний за КМОП технології має такі переваги:

• Високий вхідний опір (1012 Ом);
• Збалансовані вхідні і вихідні характеристики;
• Гранична напруга симетрично щодо половини напруги живлення;
• Практично однакові випливає і впадає вихідні струми;
• Амплітуда вихідного напруги практично дорівнює напрузі джерела живлення;
• Зміна граничної напруги мало залежить від температури;
• Широкий діапазон напруг живлення (3 -15 В для серій К561 і КР1561);
• Можливість застосування в схемах з Двуполярность харчуванням;
• Низький рівень споживання енергії, навіть в моменти перемикання;
• Висока стійкість перед перешкодами.

АНАЛІЗ ТИПОВОЙ СХЕМИ тригера Шмітта.

Типова схема логічного елемента (на прикладі інвертора), побудованого на базі тригера Шмітта, наведена на рис. 1. Розглянемо принцип його роботи, вважаючи, що в початковий момент часу на вхід "Input" подано нульовий потенціал напруги.

В цьому випадку транзистори VT1 ​​і VT2 повністю відкриті, а VT3, VT4 і VT5 - закриті. Напруга в точці "OUTint" практично дорівнює напрузі джерела живлення. При цьому VT6 відкритий і працює як істоковий повторювач. Напруга в точці з'єднання стоку VT4, витоку VT3, а також стоку VT6 дорівнює різниці напруги живлення і падіння напруги на опорі каналу транзистора VT6. Оскільки обидва транзистора VT3 і VT4 в початковий момент часу закриті, напруга у зазначеній точці дорівнює живить. Якщо почати збільшувати напругу на вході, а значить, і на затворах VT1, VT2, VT3, VT4, то при досягненні порогового напруги транзистора VT4, він починає відкриватися. При цьому обидва включених транзистора VT4 і VT6 утворюють дільник напруги з потенціалом в точці їх з'єднання рівним половині напруги живлення. Відповідно, цей потенціал "прив'язує" витік транзистора VT3 до половини напруги живлення. Коли вхідна напруга починає перевищувати половину живлячої на величину порогового напруги відкривання транзистора VT3 цей транзистор починає відкриватися, ініціюючи тим самим процес перемикання всієї схеми. Починаючи з цього моменту, навіть незначне збільшення вхідної напруги призведе до різкого зниження напруги в точці "OUTint" до нуля. Коли напруга в точці "OUTint" падає, істоковий повторювач VT6 закривається, і напруга на його стоці (точка з'єднання VT3, VT4, VT6) зменшується, слідуючи за напругою на затворі. Вплив VT6 в ланцюжку подільника напруги VT4-VT6 знижується до нуля, приводячи до ще більш різкого спаду напруги в точці "OUTint". В цей же час починає відкриватися транзистор VT5, оскільки потенціал на його затворі (в точці "OUTint") швидко знижується. Відкривання VT5 призводить до установки на початку транзистора VT2 потенціалу, близького до нульового, тому останній закривається. У момент закривання VT2, потенціал в точці "OUTint" лавиноподібно знижується до нуля. Лавиноподібне перемикання схеми відбувається завдяки одиничній коефіцієнту петлі зворотного зв'язку, яка утворюється транзисторами Істоковий повторителей.
Коли вхідна напруга змінюється в зворотному напрямку - від харчування до нуля, аналогічний процес відбувається з верхньою секцією транзисторного каскаду, і лавиноподібне перемикання відбувається при досягненні нижнього значення порогового напруги. Інвертори, зібрані на транзисторах VT7, VT8 і VT9, VT10 утворюють засувку, яка стабілізує потенціал в точці "OUTint". Буферний інвертор на транзисторах VT11, VT12 призначений для підвищення здатності навантаження тригера. Типові передавальні характеристики показані на рис. 2 і границі верхніх і нижніх гарантованих діапазонів допустимої помилки на рис. 3.

ПЕРЕВАГИ гістерезису.
Гістерезисом називається відмінність в відповідної реакції схеми під впливом вхідного напруги. Шумовий сигнал, який перевищує порогове напруга перемикання компаратора, може викликати багаторазове переключення його виходу, якщо час відповідної реакції компаратора менше, ніж час між помилковими діями сигналу. Тригер Шмітта має два порога компараціі: амплітуда будь-якого сигналу перешкоди повинна перевищувати різницю порогових напруг для того, щоб відбулося багаторазове перемикання стану тригера. Для КМОП-тригера Шмітта при напрузі живлення VDD = 10 В, типове значення різниці порогових напруг становить 3,6 В, якого цілком достатньо, щоб подолати вплив практично будь-якого помилкового сигналу перешкоди на вході.
Компаратор, побудований на основі КМОП-тригера Шмітта, знаходить широке застосування для відновлення строго прямокутної форми сигналу, що транслюється по довгій неузгодженою лінії зв'язку. Гранична напруга компаратора задається рівним половині амплітуди вхідного сигналу (рис. 4б). Це робиться для того, щоб запобігти спотворення тривалості сигналу. Якщо по лінії передачі транслюється імпульс тривалістю 4 мкс, то і на приймальній стороні повинен бути відновлений імпульс точно такої ж тривалості, інакше станеться спотворення сигналу. Якщо компаратор має граничну напругу вище половини рівня амплітуди сигналу, це призводить до зменшення тривалості позитивних імпульсів, і збільшення тривалості негативних (рис. 4в). Це називається спотворенням внаслідок розщеплення рівнів вхідного сигналу. Тригер Шмітта має як позитивне VT +, так і негативне VT- зміщення рівня порогового напруги. Для КМОП-тригера Шмітта ці значення приблизно симетричні щодо половини рівня амплітуди сигналу, тому тривалість імпульсу рівна 4 мкс в точності відновлюється (рис. 4г). Незважаючи на те, що відновлений імпульс отримує затримку за часом, його тривалість залишається незмінною. Таким чином, забезпечується висока стійкість, і, завдяки наявності гістерезису, спотворення сигналу не відбувається.

ЗАСТОСУВАННЯ КМОП-тригер ШМІТТА.Большінство прикладів, наведених далі, показують, як використовується КМОП-тригер Шмітта, щоб спростити конструкцію або поліпшити продуктивність. Деякі схемотехнічні рішення неможливо побудувати з використанням тригерів Шмітта інших серій, крім КМОП.
На рис. 5а представлена типова схема перетворювача сигналу синусоїдальної форми в прямокутні імпульси. Завдяки симетрії порогового напруги щодо половини напруги живлення, для такого тригера можна легко сформувати опорний потенціал за допомогою двох резисторів. Високий вхідний опір спрощує вибір номіналів резисторів і розв'язує конденсатора. Оскільки КМОП мають широкий діапазон напруг живлення, КМОП-тригер Шмітта може працювати в системі з Двуполярность харчуванням (рис. 5б). Це прив'язує середину порогового напруги до нуля і дозволяє підключити вхід тригера Шмітта безпосередньо до виходу операційного підсилювача без розв'язує конденсатора.

На рис. 6 показаний перетворювач "частота-напруга", який може працювати з керуючим сигналом різної форми. Незважаючи на те, що енергія коливань різної форми відрізняється, вихідна напруга перетворювача залежить тільки від частоти коливань. Оскільки амплітуда вихідного сигналу КМОП-тригера Шмітта практично дорівнює напрузі джерела живлення, постійний розмах сигналу, що прикладається до обкладкам конденсатора C1, викликає протікання струму через конденсатор, який залежить тільки від частоти. Позитивна полуволна напруги з виходу конденсатора через діод D1 закорачивается на загальний провід. Негативна полуволна напруги викликає протікання струму инвертирующего входу операційного підсилювача через діод D2 і перетворення його в середнє значення напруги інтегрує ланцюжком C2-R2.
Оскільки амплітуда вихідної напруги КМОП-тригера Шмітта практично дорівнює напрузі джерела живлення, то напруга, що прикладається до С2, дорівнює напрузі джерела живлення.

Тригери Шмітта знаходять широке застосування, коли з повільно змінюється вхідного сигналу необхідно сформувати прямокутний імпульс з великою крутизною наростання напруги. На рис. 7 показана типова схема світлового сенсора або ключа, керованого світлом. Високий вхідний опір КМОП-тригера Шмітта спрощує подачу напруги початкового зсуву. Більшість фоторезисторов мають темнової опір порядку декількох МОм і порядку декількох КОм при яскравому освітленні. Оскільки КМОП схема має вхідний опір порядку 1012 Ом, зміна вихідної напруги не робить ніякого впливу на вхідний каскад. Тому, при виборі опору резистивного подільника, вхідним опором КМОП-тригера Шмітта можна знехтувати.

Ще одним випадком застосування КМОП-тригера Шмітта є найпростіший RC-генератор (рис. 8), побудований всього з трьох елементів. Таким чином, з використанням однієї мікросхеми КР1564ТЛ2, що містить шість однакових тригерів Шмітта, можна побудувати шість економічних RC-генераторів. Шпаруватість вихідних прямокутних імпульсів близька до двох, завдяки добре збалансованим вхідним і вихідним характеристикам КМОП-схеми. Рівняння вихідний частоти передбачає, що t1 = t2 ≥ t pd0 + t pd1.

Раніше ми бачили, яким чином за допомогою CMOS-тригера Шмітта підвищується стійкість незбалансованої лінії передачі. Мал. 9 показує застосування тригера Шмітта для збалансованої або диференціальної лінії передачі. На рис. 9а показаний елемент виключає Або, що входить до складу мікросхеми КР1564ЛП5 ( 74HC86 ), Який також може бути побудований на елементах І-НЕ мікросхеми КР1564ЛА3 ( 74HC00 ). Якщо на лінії з'являється незбалансований сигнал перешкоди, що генерується в результаті інтерференційного взаємодії або впливу зовнішніх джерел шуму, дана схема формує сигнал помилки.
Схема на рис. 9б є диференційний приймач сигналу, який відновлює збалансовані передані дані, але ігнорує незбалансований сигнал. Якщо схеми, наведені на рис. 9, використовувати спільно, то детектор помилки міг би сигналізувати передавача про необхідність призупинення передачі даних до моменту відновлення збалансованого сигналу. В цей час приймач сигналу міг би пам'ятати останні правильно прийняті дані, поки незбалансований сигнал присутній на лінії. Коли збалансований сигнал відновлюється, приймач починає приймати вже правильні дані з того місця, де стався збій.

Завдяки наявності обмежувальних захисних діодів у вхідному ланцюзі, стандартний діапазон вхідної напруги для КМОП-тригера Шмітта становить від GND - 0,3 В до VDD + 0,3 В. Будь-яке перевищення вхідною напругою зазначених значень викликає різке зростання струму через обмежувальні діоди. Для практичного застосування бажано мати діапазон вхідної напруги у багато разів більше зазначеного значення. Наприклад, лінії передачі часто працюю при напрузі ± 12 В, а операційні підсилювачі ± 15В. Вирішенням цієї проблеми є застосування спеціальної захисної ланцюга на вході тригера Шмітта. Це дозволяє подавати на входи напруга +25 В вище рівня харчування і -25 В нижче рівня землі. В такому випадку схему перетворювача форми сигналу (рис. 6б) можна живити напругою ± 1,5 В і підключати безпосередньо до виходу операційного підсилювача, що має діапазон живлячих напруг ± 15 В.
Типова і вдосконалена схеми вхідний захисту показані на рис. 10. Показання на схемі діоди мають зворотне пробивна напруга порядку 35В. Позитивне вхідна напруга може досягати такого значення, при якому ще не відбувається пробою назад зміщеного діода D2 і прямо зміщеного D3, що в сумі становить близько 35В. Негативне вхідна напруга може досягати значення, що не перевищує сумарне напруга пробою назад зміщеного діода D1 і прямосмещенного D2, що в сумі також становить близько 35В. Також забезпечується необхідний захист від розряду статичної електрики.

КМОП схема може мати лінійні характеристики в широкому діапазоні напруг, якщо правильно розрахована ланцюг формування керуючого опорного потенціалу. На рис. 11 показана проста схема генератора прямокутних імпульсів, керованого напругою. КМОП-інвертор використовується в якості інтегратора, а КМОП-тригер Шмітта, - як компаратора з гістерезисом. Інвертор інтегрує позитивну різницю між граничним і вхідним рівнями напруги VIN.

На виході інвертора формується лінійно наростаюче напруження до моменту досягнення позитивного порога тригера Шмітта. У цей момент, вихід тригера Шмітта перемикається в нульовий стан, відкриваючи транзистор через RS і прискорюючи перезарядку конденсатора CS. Гістерезис утримує вихід в стані нуля до моменту розрядки інтегруючого конденсатора C через резистор RD. Резистор RD повинен бути набагато меншого номіналу, ніж RC, щоб час скидання було незначним. Вихідна частота визначається наступним виразом:

Залежність частоти від напруги, що управляє визначається похідною по вхідній напрузі. отже:

де знак "-" вказує на те, що вихідна частота зростає коли вхідний керуюча напруга зменшується щодо граничної напруги інвертора. Вихідна частота приймає максимальне значення, коли вхідна напруга дорівнює нулю, і зменшується зі зростанням вхідного напруги. Генерація коливань припиняється при досягненні керуючою напругою 0,55VDD. Вихідні імпульси генератора досить короткі, оскільки час скидання значно менше часу інтегрування.
З використанням тригера Шмітта можна будувати прості подовжувачі імпульсів. Схема одновібратора або чекає мультивібратора, призначеного для подовження імпульсів, показана на рис. 12. Позитивний імпульс, що перемикає інвертор, викликає поява на його виході короткого негативного імпульсу, розряджається конденсатор через діод D1. Це призводить до перемикання тригера Шмітта в одиничний стан. Конденсатор повинен бути досить малої місткості, щоб за час дії короткого імпульсу вихідний струм інвертора міг би його повністю розрядити.

де ΔV = VDD для КМОП інвертора і ΔT - тривалість вхідного імпульсу. Для кожного вхідного імпульсу, тривалістю коротше 100 нс, конденсатор може бути виключений, і резистор великого номіналу утворює з вхідною ємністю КМОП-тригера Шмітта інтегруючу RC-ланцюжок. Далі, коли на вході інвертора встановлюється нульовий потенціал, який блокує діод запобігає заряд конденсатора вихідним струмом інвертора, і заряд відбувається вже через підтягаючий резистор. Коли вхідна напруга тригера Шмітта досягне верхнього порогу VT +, тригер перемкнеться в нульове стан через деякий час після завершення вхідного негативного імпульсу. Таким чином, досягається збільшення тривалості імпульсів.

Перевага тригера Шмітта.
Тригер Шмітта, побудованій з Використання дискретних елементів, схемотехнически Досить складаний Пристрій. Вперше тригер Шмітта в інтегральному віконанні БУВ реалізованій в ТТЛ-серіях. Але відносно великі вхідні струми і несиметричність вхідних характеристик ускладнюють конструювання схем з використанням таких тригерів. Впадає вихідний струм рівня логічного нуля значно більше, ніж витікаючий струм рівня логічної одиниці. Це призводить до відмінності форми імпульсів від меандру з коефіцієнтом заповнення 50%. Крім того, вузький діапазон живлячих напруг ускладнює застосування в схемах з напругою живлення відмінними від 5 В, а також в схемах з Двуполярность харчуванням.
КМОП-тригер Шмітта має дуже високий вхідний опір з граничними напруженнями приблизно симетричними щодо половини напруги живлення. Допустима подача вхідного сигналу з амплітудою, що перевищує діапазон напруги живлення. Вихідні струми рівнів логічного нуля і одиниці практично однакові. Також амплітуда вихідного сигналу практично дорівнює напрузі джерела живлення. Такі переваги КМОП-тригера Шмітта, як велика різниця порогових напруг, широкий діапазон напруг живлення, низьке енергоспоживання, однакові характеристики виробів в межах однієї партії, роблять тригер Шмітта унікальним універсальним компонентом для радіоелектронних конструкцій. Тригер Шмітта знаходить застосування в інтерфейсних схемах для узгодження сигналів, відновлення рівнів, придушення сигналів перешкод в умовах підвищеного рівня шумів, детектування рівнів, завдяки наявності гістерезису, перетворення рівнів між логічними схемами різних сімейств і в багатьох інших додатках. Застосування КМОП-тригера Шмітта це ще один крок до дизайну, обмеженому тільки уявою розробника.

Джерела информации

1. Fairchild Semiconductor. Application Note 140. CMOS Schmitt Trigger - A Uniquely Versatile Design Component