plik

kłła

y c

yffr

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/97

Generatory CMOS

Poniższy materiał dotyczy bramek

CMOS, zarówno serii 4000, jak i 74HC,
74HCT. Nie wszystkie układy będą popra−
wnie pracować z bipolarnymi bramkami
74LS, 74F, czy 74Standard.

Nie muszę cię przekonywać, jak wiele

generatorów stosujemy w projektowanych
układach. Musisz znać różne sposoby wy−
twarzania fali prostokątnej oraz impulsów.

Z obowiązku przypomnę ci prosty

układ generatora zbudowany z nieparzys−
tej ilości bramek odwracających (inwerte−
rów) – zobaczysz go na rry

u 5

4. Częs−

totliwość  generowanego  przebiegu  zale−
ży od ilości bramek i opóźnienia wprowa−
dzanego  przez  każdą  bramkę.  Ponieważ
opóźnienia  są  rzędu  nanosekund,  częs−
totliwości są rzędu megaherców, od kilku
do kilkudziesięciu MHz, zależnie od rodzi−
ny bramek i napięcia zasilającego. Jest to
typowy schemat książkowy – nie przypo−
minam  sobie,  bym  widział  gdziekolwiek
praktyczne wykorzystanie tego potworka.
Dlatego nie zawracaj sobie nim głowy.

Kolejny coraz mniej używany układ ge−

neratora znajdziesz na rry

u 5

5. Są to

trzy wersje układu, który był bardzo częs−
to  stosowany  po  pojawieniu  się  pierw−
szych  CMOSów.  Ja  przyzwyczaiłem  się
do niego przez kilka lat, gdy niepodzielnie
królowały  na  naszym  rynku  wyroby  CE−
MI. Ty znasz go może z „Klocków elek−
tronicznych”. Powinieneś znać ten układ,
zapewne czasem go zastosujesz. Ale bez
przesady. Nie powinien to być podstawo−
wy układ generatora, jaki będziesz stoso−
wał w swoich konstrukcjach.

W każdym razie powinieneś wiedzieć,

jak działa.

Bierzemy pod lupę układ z rysun−

ku 55c. Na rysunku 55d pokazano pozio−
my napięć w poszczególnych punktach
tego układu.

Gdy na wejściu sterującym A występu−

je stan niski, to na wyjściu bramki I na pew−
no występuje stan wysoki, bo przecież jest
to bramka NAND. Na wyjściu drugiej bram−
ki występuje stan niski. Ponieważ na wy−
jściu bramki I występuje stan wysoki, taki
sam stan występuje na drugim wejściu tej
bramki. Przez rezystory R1 i R2 oczywiście
nie płynie prąd, a kondensator C1 jest nała−
dowany. Generator nie pracuje.

W chwili zmiany na wejściu A stanu

z niskiego na wysoki generator zaczyna
pracować. Ponieważ w punkcie E był stan

niski, więc na wyjściu bramki I pojawia się
stan  niski.  Powoduje  to  pojawienie  się
stanu  wysokiego  na  wyjściu  generatora,
czyli w punkcie D. Tu zaczyna się cała za−
bawa. Do tej pory kondensator C1 był na−
ładowany.  Teraz  zmiana  stanu  z niskiego
na wysoki na wyjściu D „podrzuca w gó−
rę” ten naładowany kondensator. To zna−
czy,  że  przez  chwilę  napięcie  w punkcie
C będzie dokładnie dwa razy większe, niż
napięcie  zasilania  układu.  Napięcie  to  od
razu zacznie spadać, ponieważ kondensa−
tor  C1  będzie  się  rozładowywał  przez  re−
zystor  R1  (na  razie  pomijamy  wpływ  re−
zystora R2). Napięcie w punkcie C będzie
dążyć  do  potencjału  masy.  W pewnym
momencie (na rysunku 55d jest to chwila
t1)  napięcie  w punkcie  C będzie  równe
napięciu  zasilającemu  –  w tej  chwili  kon−
densator  będzie  całkowicie  rozładowany.
Ponieważ  w punkcie  D występuje  stan
wysoki, a w punkcie B – niski, przez rezys−
tor R1 będzie nadal płynął prąd i napięcie
w punkcie  C nadal  będzie  spadać  –  kon−
densator  zacznie  się  więc  ładować  i wy−
stąpi  na  nim  napięcie  o polaryzacji  prze−
ciwnej, niż w stanie spoczynku.

Ponieważ wejścia bramki CMOS nie

pobierają prądu, więc napięcie w punkcie
E powinno być takie same, jak napięcie
w punkcie C.

W chwili oznaczonej t2 na rysunku 55d,

napięcie  w punkcie  C,  a tym  samym
w punkcie E, przekroczy próg przełączania
bramki  I.  Tym  samym  na  wyjściu  bramki
I napięcie  zacznie  rosnąć,  a na  wyjściu
bramki  II  –  opadać.  Rosnące  napięcie
w punkcie  D przyspieszy  ten  proces  –
można powiedzieć o istnieniu dodatniego
sprzężenia  zwrotnego  przez  kondensator
C1. W każdym razie w czasie od t1 do t2,
kondensator  C1  zdąży  się  naładować,  ale
nie do pełnego napięcia zasilającego, tylko
do mniej więcej połowy tego napięcia.

Opadające

napięcie

punkcie

D „ściągnie” punkt C do napięcia niższe−
go,  niż  poziom  masy.  Napięcie  to  oczy−
wiście  zacznie  rosnąć,  bo  przez  rezystor
będzie  teraz  płynął  prąd  od  punktu  B.
Kondensator najpierw rozładuje się do ze−
ra, a potem zacznie się ładować w przeci−
wnym kierunku. Gdy napięcie w punkcie

C (a tym samym w punkcie E) wzrośnie
aż do napięcia progu przełączania bramki
I (a stanie się to w chwili t3), obie bramki
znów zmienią stany na swych wyjściach.

Częściowo naładowany kondensator

C1 znów zostanie „wypchnięty w górę”
i napięcie w punkcie C zacznie opadać.

Cykl będzie się powtarzał.
Na uwagę zasługuje tu kilka spraw.

Trzeba o nich pamiętać.

Po pierwsze, kondensator C1 na prze−

mian  ładuje  się  napięciem  dodatnim
i ujemnym.  To  jest  jeden  z powodów,  że
nie  można  tu  stosować  kondensatorów
elektrolitycznych:  ani  zwykłych,  ani  tanta−
lowych.  Pamiętasz  też  na  pewno,  że
w układach wymagających w miarę stabil−
nej częstotliwości nie stosuje się konden−
satorów ceramicznych ferroelektrycznych.

P i e r w s z e k r o k i

w cyfrówce

cczzęęśśćć 99

Rys. 55.

Rys. 54.

kłła

y c

yffr

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/97

Po drugie, należy pamiętać, że pierw−

szy wytworzony impuls jest dłuższy niż
następne – to zresztą jest cechą spotyka−
ną w wielu innych układach generatorów
wyzwalanych.

Po trzecie – zbocza generowanego

przebiegu w punkcie B nie są zbyt ostre,
zwłaszcza przy małych częstotliwościach
pracy.  Dlatego  w niektórych  przypad−
kach, gdy wymagane są ostre zbocza, nie
zaleca  się  wykorzystywać  przebiegu
z punktu  B,  tylko  dołączyć  jeszcze  jedną
bramkę (inwerter) do punktu D.

Wreszcie po czwarte trzeba odpowie−

dzieć na pytanie, po co w układzie jest re−
zystor R2. Bez niego generator też będzie
pracował – w literaturze spotyka się zresz−
tą czasem układ takiego generatora, gdzie
R2 jest zwarty. Otóż rezystor R2 w zasa−
dzie nie jest konieczny. Ale przy omawia−
niu budowy wewnętrznej bramek CMOS
okazało  się,  że  między  wszystkimi  we−
jściami  a obiema  szynami  zasilającymi
umieszczone są tam diody zabezpieczają−
ce (porównaj EdW 5/97 str. 66 rysunku 31
i 32). Przy podaniu na wejścia napięć wy−
kraczających poza zakres napięcia zasilają−
cego, w obwodach wejść pojawi się prąd,
płynący  przez  struktury  reprezentowane
przez te diody zabezpieczające. Gdy prąd
ten  będzie  większy  niż  20...30mA,  może
wystąpić zjawisko zatrzaśnięcia (latch up)
i obie  szyny  zasilania  zostaną  zwarte  ze
sobą przez pasożytnicze struktury tyrysto−
rowe obecne w kostce CMOS. Rezystor
R2 stosuje się właśnie po to by wykluczyć
taką  przykrą  ewentualność.  Ze  względu
na  niewielką  wydajność  prądową  wyjść
kostek CMOS 4000, przy napięciach zasi−
lania  nie  większych  niż  7V,  rezystora  R2
można nie stosować (zastąpić go zworą).

A teraz zadanie domowe.
Przeanalizuj samodzielnie, jakie będą

napięcia na wyjściach bramek OR w ukła−
dzie z rysunku 55b w stanie spoczynku,
czyli przy podaniu na wejście sterujące
stanu wysokiego.

W tym miejscy chciałbym ci coś wyjaśnić.

W literaturze amatorskiej spotyka się kilka in−
nych schematów generatorów z bramkami

CMOS. Znaczna część z nich nigdy nie jest
stosowana przez prawdziwych konstrukto−
rów. Mało tego, niektórzy autorzy „przemy−
cają” w swoich konstrukcjach sporo niepo−
trzebnych lub niezdrowych „chwytów”.

Przykładowo niektórzy twierdzą, że

w pewnych przypadkach generator z ry−
sunku 55 mógłby się nie wzbudzić i dlate−
go trzeba zastosować dodatkowy „obwód
rozruchowy” według rry

u 5

6. Jest to

naprawdę niepotrzebne, dlatego przekreś−
liłem ten rysunek na czerwono. Teoretycz−
nie rzeczywiście, układ mógłby nie wystar−
tować. Ale taka sytuacja byłaby możliwa
tylko wtedy, jeśli bramki miałyby zdecydo−
wanie różne progi przełączania. W prakty−
ce zawsze są to bramki z tej samej kostki,
mają podobne napięcia progowe i proble−
mu naprawdę nie ma!

Teraz drugi błąd. Na rry

u 5

a i b

b znaj−

dziesz kolejne układy generatorów bram−
kowanych. Rzeczywiście, można sterować
pracą generatora wykorzystując układy
z rysunku 57. Niektórzy tak robią.

Masz bojowe zadanie! Wytłumacz,

dlaczego przekreśliłem ten schemat?

Pomyśl uważnie!
Podstawową zaletą układów CMOS

jest  zerowy  pobór  prądu  w spoczynku.
A jak zachowa się bramka II z rysunku 57a,
gdy na wejście zezwalające będzie podany
stan  niski?  Oczywiście  na  jej  wyjściu  bę−
dzie  wymuszany  stan  wysoki  i generator
nie będzie pracował. Ale co z bramką U1A?

Połączenie wejścia z wyjściem przez

rezystor  jest  równoznaczne  z zamknię−
ciem pętli ujemnego sprzężenia zwrotne−
go.  Przeanalizuj  to  i przekonaj  się,  że  na
wejściu i wyjściu tej bramki będzie takie
same napięcie, równe napięciu progowe−
mu  bramki,  zbliżone  do  połowy  napięcia
zasilającego.  Zajrzyj  teraz  rysunku  29  na
stronie  65  w EdW  5/97  i zobacz,  czy
bramka  w takim  stanie  nie  pobiera  prą−
du? Ależ oczywiście, pobiera!

Czyli tak zablokowany generator bę−

dzie pobierał prąd – i to znaczny, jak na
układy CMOS.

Widzisz, przez taki drobny błąd niepo−

trzebnie zwiększyliśmy pobór prądu. Jeś−
li  już  rzeczywiście  musisz  zastosować
sterowanie  w obwodzie  bramki  II,  ko−
niecznie zastosuj układ z rysunku 57c. Za−
pamiętaj  ten  sposób,  a wcześniej  przea−
nalizuj, czym będą się różnić spoczynko−
we  poziomy  na  wyjściach  generatorów
z rysunków 55c i 57c?

Na rry

u 5

8 znajdziesz kolejny

„książkowy” układ, którego nikt nigdzie
nie stosuje.

To co stosować?
Wśród niektórych elektroników wielką

popularnością cieszy się wciąż nieśmiertel−
na kostka 555. Ja osobiście, jeśli mnie pa−
mięć nie myli, „popełniłem” przed wielu la−
ty jeden jedyny układ z użyciem tej kostki.

Chyba cię już przekonałem w poprzed−

nich  odcinkach,  że  układy  opóźnienia,
skracania i wydłużania prościej wykonasz
z użyciem  inwerterów  lub  bramek  „ze
szmitem”.  Teraz  chcę  cię  przekonać,  że
również  generator  wykonasz  znacznie
prościej używając bramki Schmitta.

Zachęcam cię, żeby podstawowym ukła−

dem generatora przebiegu prostokątnego stał
się układ z inwerterem 40106 lub 74HC14.

Schemat znajdziesz na rry

u 5

Jak działa taki układ?

Jeśli potrzebne są ci generatory bram−

kowane, wykorzystaj jeden ze schema−
tów z rry

u 6

Mając jedną kostkę 40106 możesz wy−

konać  sześć  niezależnych  generatorów.
Jeśli  potrzebujesz  je  uzależnić  (bramko−
wać) dołącz diody. Co prawda w tym przy−
padku wzrośnie pobór prądu, bo przez re−
zystory i diody będzie płynął prąd. Ale przy
rezystancjach  100k

Ω

...2,2M

Ω

(takie mo−

żesz śmiało stosować) prąd ten będzie
rzędu mikroamperów. Zauważ, że diodę
możesz włączyć w dowolnym kierunku.

Jeśli układ w spoczynku ma zupełnie nie

pobierać  prądu,  wykorzystaj  bramki  NAND
„ze  szmitem”  (4093  lub  74HC132).  Przy
wykorzystaniu  bramek  NAND  w generato−
rze  bramkowanym,  występuje  pewna  nie−
wielka  niedogodność.  Mianowicie  genera−
tor  taki  jest  zablokowany  przy  podaniu  na
wejście  bramkujące  stanu  niskiego.  Tym−
czasem w stanie spoczynku, na wyjściu wy−
stępuje stan wysoki. Przy bramkowaniu ko−
lejnego generatora poprzednim, często trze−
ba włączyć bramkę pośrednią, odwracającą
sygnał  . Pomimo  tej  niedogodności  układ
z bramkami 4093 (74HC132) jest godny po−
lecenia, bowiem pozwala przy użyciu jednej

Rys. 56.

Rys. 57.

Rys. 58.

kostki zrealizować przynajmniej dwa bram−
kowane generatory, a dodatkowo pozosta−
nie wolna bramka do dowolnego wykorzys−
tania. Od tej niedogodności wolne są układy
wykorzystujące inwertery Schmitta i diody.
Diody można włączać w dowolnym
kierunku i tym samym wykonać układ gen−
eratora bramkowanego stanem wysokim
albo niskim.

Nie muszę ci chyba tłumaczyć, że

częstotliwość  drgań  wszystkich  przed−
stawionych  generatorów  jest  wyznaczo−
na  przez  stałą  czasową  R1C1.  Zauważ
jednak,  że  ciągle  piszę  „wyznaczona”,
a nie  „równa”.  Ani  czas  opóźnienia

w przedstawianych wcześniej układach,
ani częstotliwość drgań generatorów nie
odpowiada dokładnie stałej czasowej RC.

Wzory, podawane w podręcznikach

pozwalają określić częstotliwość pracy je−
dynie z grubsza. Częstotliwość zależy od
układu generatora, od napięcia zasilające−
go, od temperatury, oraz od rozrzutu na−
pięć progowych kostek. Do tego docho−
dzi znaczna tolerancja (do 20%) pojem−
ności kondensatorów stałych.

Dlatego jeśli chcesz dokładnie ustalić

częstotliwość, powinieneś zastosować
potencjometr i wyregulować układ przy
pomocy częstościomierza.

A do sprawy stabilności częstotliwoś−

ci w funkcji napięcia zasilającego i tempe−
ratury, jeszcze w przyszłości powrócimy.

A jeśli masz dostęp do częstościomie−

rza, to już teraz zachęcam cię, żebyś spraw−
dził praktycznie, na ile zmienia się częstotli−
wość  pracy  przy  zmianach  napięcia  zasila−
nia w granicach ±20% i zmianach tempera−
tury w zakresie +10...+30 C. Do tego ostat−
niego  wykorzystaj  termometr,  lodówkę
i suszarkę do włosów. Zastosuj kondensa−
tory  foliowe,  a przekonasz  się,  że  stałość
częstotliwości jest zupełnie dobra, i jedynie
w rzadkich  przypadkach  trzeba  stosować
bardziej stabilne źródła przebiegów.

W następnym odcinku zajmiemy się

innymi układami generatorów.

Piio

ottrr G

Gó

órre

kii

kłła

y c

yffr

Rys. 59.

Rys. 60.