Circuite de impuls

3. CIRCUITE DE IMPULS

Circuitele basculate se caracterizează prin două stări distincte, trecerea dintr-o stare în alta realizându-se prin procese de basculare.

Prin basculare se înţelege variaţia rapidă a mărimilor electrice caracteristice circuitului sub influenţa reacţiei pozitive. De cele mai multe ori se utilizează două elemente amplificatoare inversoare cuprinse într-o buclă de reacţie pozitivă. Reacţia pozitivă acţionează doar pe durata procesorului tranzitoriu în care are loc bascularea, în rest elementele amplificatorului funcţionând în afara regiunii active a caracteristicilor de transfer.

În funcţie de modul în care se face cuplajul necesar închiderii buclei de reacţie se deosebesc circuite basculante bistabile ( cuplaj direct ), monostabile ( cuplaj direct şi cuplaj capacitiv ) şi astabile ( cuplaj capacitiv ).

Circuitele basculante bistabile se caracterizează prin existenţa a două stări distincte, cele monostabile se caracterizează printr-o stare stabilă şi una cvasistabilă iar cele astabile prin două stări distincte cvasistabile.

Prin stare stabilă se înţelege starea în care circuitul poate rămâne un timp nedefinit dacă asupra lui nu se intervine cu un semnal de comandă.

Starea cvasistabilă este starea în care circuitul rămâne un interval de timp bine stabilit prin constanta de timp a unor circuite de temporizare, după care trece în cealaltă stare.

3.1. Circuite basculante bistabile

Circuitul se poate afla în două stări distincte, sesizabile la ieşire. Fiecărei stări i se poate ataşa cifra binară 0 sau 1. Sesizând starea circuitului la una dintre ieşiri putem spune că funcţionează ca o celulă de memorie a unei cifre a unei cifre binare.

3.1.1.Circuite bistabile realizate cu inversoareÎn timpul regimului tranzitoriu când

inversorul funcţionează în zona liniară se observă că datorită conectării, inversarea duce la reacţie pozitivă. O variaţie de tensiune la intrarea lui I1 este amplificată şi inversată şi se aplică la tensiune de reacţie la ieşire în fază cu tensiunea iniţială.

29

I1

I2

A Q

Q

Circuite de impuls Prin convenţie se consideră că starea bistabilului este 0 logic dacă Q = 0 şi 1 logic dacă

Q = 1.

Funcţionare :

Pentru modificarea stării cu ajutorul intrării A, presupunem că deci la ieşire inversorului I2 corespunde un tranzistor saturat. Pentru a trece intrarea în 1 logic trebuie trecută intrarea A pe 1 logic. Intrarea A având ca rezistenţă de sarcină ieşirea lui I2 ( foarte mică), puterea necesară ar fi fost mare, fapt care arată că utilitatea practică a acestui tip de circuit este foarte redusă.

3.1.2. Bistabilul S - R asincron.

Funcţionarea :

- S = R = 0. Intrările de comandă I1 şi I2 trec pe 1 logic nemodificând starea ieşirilor.

- S = 0, R = 1 I1 = 1; I2 = 0 rezultă că Q 1 Q = 0.- S = 1; I1 = 0 Q 1.- S = 1; R = 1 Se forţează ambele ieşiri pe 1 logic deci Q = Q 1şi circuitul nu

funcţionează ca bistabil.Acelaşi circuit se poate obţine şi cu funcţia SAU - NU.

Se observă că circuitele bistabile prezentate funcţionează în mod asincron deci variabilele de stare se pot aplica la orice moment.

S R Q0011

0101

0,101

Interzis

30

S

R

I1

I2

P1

P2

Q

Q

S

R

Q

Q

S

R

Q

Q

Circuite de impuls

3.1.3. Bistabilul S - R asincron

Prin sincronizare se înţelege aplicarea la o intrare de sincronizare ( de tact ) a bistabilului a unor impulsuri periodice de tact.

Starea circuitului se poate modifica numai pe durata Ti, timp în care nu se mai modifică intrările S şi R.

Între două impulsuri de tact starea circuitului rămâne nemodificată rezultând că în acest interval de timp se pot modifica intrările S şi R fără consecinţe asupra stării circuitului.

Studiul funcţionării unui sincron se face cunoscând valorile logice Sn şi Rn existente înainte de aplicarea celui de al n+1 - lea impuls de tact urmând să se determine valoarea lui Qn+1 la tensiunea impulsului de tact.

Schema bistabilului R - S - sincron este :

Se observă că dacă TK ar fi în permanenţă pe 1 circuitul funcţionează ca un bistabil S -R asincron.

Dacă TK este pe 0 logic , ieşirile porţilor P1 şi P2 sunt pe 1 logic, stare care nu poate fi modificată oricare ar fi valorile lui R şi S.

Funcţionarea bistabilului

Sn Rn Qn+1

0 0 Qn

31

Tk

V0H

V0L

Ti

tT

S

R

I1Q

Q

Tk

P1

P2 P4

P3

Circuite de impuls 0 1 01 0 11 1 Nederminată

Pentru ridicarea nedeterminării în cazul S = 1, R = 1 se pot utiliza bistabile de tip J - K.

3.1.4. Bistabilul J - K

Se caracterizează prin faptul că ieşirile porţilor P1 şi P2 depind nu numai de S, R şi TK

ci şi de valorile anterioare Q şi dinaintea aplicării impulsurilor de tact considerat.

Starea bistabilului este determinată de Jn , Kn , Qn , Q n.

Jn Kn Qn Q n Qn+1

0 0 0 1 0Qn

0 0 1 0 10 1 0 1 Qn

00 1 1 0 01 0 0 1 1

11 0 1 0 Qn

1 1 0 1 1Q n

1 1 1 0 0

Analiza funcţionării circuitului în cazul J = K = 1 este valabilă dacă timpul de propagare de la intrare la ieşire al bistabilului este mai mare ca durata Ti .

Dacă nu este îndeplinită această condiţie bistabilul schimbă tot timpul starea pe toată durata impulsului de tact, starea finală nemaifiind determinată.

Din acest motiv, pentru buna funcţionare se pot introduce linii de întârziere pe bucla de reacţie.Intrările şi sunt intrări asincrone şi permit puterea pe 0 sau pe 1 a bistabilului în mod asincron ( nesincronizat cu impulsuri de tact ), aceste intrări având prioritate.

32

J

K

I1Q

Q

Tk

P1

P2 P4

P3

R

S

Lî

Lî

Circuite de impuls Se notează cu şi fiind active pe nivel 0 logic ( îndeplinesc funcţia pentru care au

fost prevăzute pe nivel 0 logic ).

Q0 0 Interzis0 0 11 0 01 1 Funcţionare normală

Starea = = 1 corespunde funcţionarii sincrone a bistabilului sub influenţa intrărilor JK.

3.1.5. Bistabilul JK - MS - se compune din două secţiuni 1 - master2 - sclav

Legătura se face numai în intervalul de timp dintre două impulsuri de tact astfel încât pe durata impulsului de tact ieşirile bistabilului în ansamblu nu se modifică îndeplinindu-se condiţia de bistabil JK obişnuit.

În acest caz rezultă că tabelul reprezentat pentru bistabilul JK este valabil pentru orice durată a impulsului de tact a acestui bistabil.

Porţile P5 şi P6 fac legătura între M şi S prin . Se observă că dacă este pe 0 logic

informaţia nu ajunge în S ci doar după ce =1 ( TK = 0 ). În acest fel problema funcţionării corecte este rezolvată nemaifiind necesare introducerea linilor de întârziere.

3.1.6. Bistabilul de tip D ( delay ) - întârzie un front cu o durată aproximativ egală cu perioada dintre două impulsuri de tact.

QnH = Dn

33

J

k

I1 Q

Q

Tk

P1

P2 P4

P3

R

S

P5

P6P8

P7

M S

Tk

J

Tk

k Q

QT

Tk

Circuite de impuls Valoarea logică la ieşirea Q după impulsul de tact este egală cu valoarea logică a

intrării înaintea impulsului de tact. Ti - perioada întârzierii.

3.1.7. Bistabilul T ( Toggle ) se caracterizează prin faptul că la fiecare impuls de tact ieşirea comută dintr-o stare în alta.

Bistabilul T se poate obţine dintr-un bistabil JK - MS cu următoarea schemă.Considerând Tn nivelul logic după n impulsuri a lui TK şi Qn ieşirea după n impulsuri,

se poate determina nivelul logic al ieşirii după al n + 1 - lea tact al intrării de tact :

Tn Qn Qn+1

0011

0101

0

110

Se observă din tabel că la orice comutare a tactului Tn, ieşirea Qn+1 se schimbă faţă de Qn.

Funcţionarea bistabilului de tip T este descrisă şi de ecuaţia :

3.2. Circuite basculante monostabile se caracterizează printr-o stare stabilă din care poate ieşi doar la comandă şi o stare cvasistabilă în care poate rămâne doar un interval de timp bine determinat.

Astfel de circuite se pot realiza cu elemente inversoare dar închiderea buclei de reacţie se face cu cuplaj direct. Defazajul total indus trebuie să fie 0 ( 3600 ). În practică există variante de monostabile cu componente discrete.

3.2.1. Circuite monostabile cu 2 porţi ŞI - NU.

34

D

Tk

S

Tk

R

Q

Q

D

Tk

Q

T0H

T0L

t

t

t

vi v0R

C

(Q) (Q)

E = 1

a bP1 P2

Circuite de impuls

Intrarea E este intrare de validare (enable). Dacă E=1 circuitul funcţionează ca monostabil, dacă E = 0 ieşirea este forţată pe 1 logic.

Se observă că circuitul prezintă o reacţie pozitivă datorită prezenţei celor două porţi inversoare, cuplajul între porţiile P1 şi P2 realizându-se capacitiv.

Starea iniţială corespunde tensiunii Vi = 1 logic.Dacă rezistenţa R 380, intrarea porţii P2 este pe 0 logic v0 = 1, la intrare avem

două intrări pe 1, obţinându-se va = 0, vb = 0.Starea stabilă a circuitului este deci Q = 0; .VT - reprezintă nivelul de prag al circuitului şi este aproximativ 1,4V pentru familia

TTL.

Vb = IiL R VT. La frontul negativ a lui va, tensiunea Vb nu scade mult sub 0V deoarece există diodele de protecţie care limitează vârful la 0,6V.

Considerând originea axei timpului în momentul declanşării frontului negativ a lui Vi

se poate scrie :

Din condiţia ca la t = Ti, vb = VT se obţine:

35

vi V0H

V0L

V0H Tiva

vb Vb

V0H

V0L

VT

V0H

V0

(Q)

(Q)

t

t

t

t

Ti

Circuite de impuls Poarta P2 poate fi un simplu inversor dacă nu este nevoie de o stare de inhibare. De

asemenea, dacă poarta P1 este un circuit ŞI - NU cu trei intrări, una dintre ele poate fi utilizată ca intrare de inhibare.

3.2.2. Circuitul monostabil cu 4 porţi ŞI - NU.

Schema circuitului este :

Diagramele de timp corespunzătoare funcţionării circuitului sunt :

Starea stabilă a circuitului este :

36

Vcd

SQ

R

Q

+5 V CE

P4P3

P2

P1

a bR

Vcd V0H

V0L

V0H

VT

V0H

(Q)

Qt

t

t

t

V0L

V0H

VQ

Q

t

t

R

V0H

V0L

V0L’

V0L

Circuite de impuls

Durata variaţiei în sens negativ a lui R corespunde întârzierilor de propagare ale circuitului şi este de câteva zeci de ns. Durata stării cvasistabile este Ti.

Dacă rezistenţa R 380, ecuaţia care descrie exponenţiala Vb este :

la momentul t = Ti, vb = VT

3.3. Circuite basculante astabile.

Datorită existenţei cuplajelor capacitive, circuitul nu este niciodată stabil, rezultând că în permanenţă circuitul oscilează, fiind un generator de impulsuri pozitive.

Circuitul basculant astabil se poate obţine :- cu componente discrete.- cu porţi TTL sau alte familii.

3.3.1 Circuite basculante astabile cu componente discrete.

37

RC1 RB2 RB1 RC2

VC1 VC2

Vbe1 Vbe2

C2 C1

+ - +-

V+

Circuite de impuls Circuitul prezintă 2 etaje de amplificare cu cuplaj RC incluse în bucla de reacţie

pozitivă care poate fi activă numai în procesul tranzitoriu de basculare, când ambele tranzistoare conduc. Dacă un tranzistor e blocat, bucla de reacţie este întreruptă.

De obicei tranzistorul care conduce la saturaţie . Condiţia intrării în saturaţie este :( h21E = )

Presupunem că iniţial T1 era saturat şi T2 blocat. Condensatorul C1 se încarcă de la tensiune V+, RC2 şi joncţiunea BE a tranzistorul T1 cu polaritatea indicată pe figură.

Tensiunea de încărcare a condensatorului este VC1 =V+ - Vbes1.Considerând că la un moment dat tranzistorul T2 intră în conducţie ( fiind saturat ),

deoarece tensiunea UCE2s este foarte mică, practic se poate considera borna ( + ) a condensatorului C1 legată la masă . În acest caz de la borna ( - ) a lui C1 se aplică bazei tranzistorului T1 blocându-l.

Din acest moment condensatorul C1 se descarcă prin rezistenţa RB1 şi tranzistorul T2, potenţialul bazei tranzistorului T1 crescând. La un momet dat VbeT1, T1 începe să conducă.

Deoarece în acest moment ambele tranzistoare conduc, bucla de reacţie este închisă astfel încât scăderea potenţialului în colectorul lui T1 transmite bazei tranzistorului T2 ducând la micşorarea curentului prin baza lui T2, creşte tensiunea VCE2, creştere transmisă şi bazei lui T1, reacţia pozitivă închizându-se astfel şi ducând la blocarea lui T2 şi saturarea lui T1 .

Pentru simplificarea diagramelor de timp considerăm că tranzistoarele se deschid la tensiunea Vbe 0.

3.3.2. Circuit basculant astabil cu porţi :

38

Vbe1

VCE1

Vbe2

VCE2

VCEsat

VC1

VC2

VCEsat

21

t

t

t

t

Creşterea lentă produsă de încărcarea

condensatorului prin RC

Circuite de impuls

1. Varianta cu porţi TTL

Schema prezintă o mare simplitate precum şi o precizie ridicată a constantelor de timp obţinute. Rezistenţa R trebuie să fie mai mică decât 380 .

La conectarea circuitului condensatorului C este descărcat deci la ieşirea porţii apare 1 logic. În acest moment începe încărcarea experimentală a condensatorului C prin rezistenţa R, cu polaritatea din figură. La acest moment condensatorul începe să se descarce prin rezistenţa R.

Când tensiunea pe condensator ajunge la valoarea V2, ieşirea porţii comută din nou pe '' 1 '' logic, procesul repetându-se periodic din acest moment.

Considerând originea axei timpului la începutul perioadei T1 se poate scrie :

Pentru t = T1 VC = V2

Pentru determinarea perioadei T2 se alege originea axei timpului la începutul perioadei T2.

Pentru t = T2 VC = V1

39

R

C

+5V

v0

VC

V0HV1

V2V0L

v0

V0H

V0L

T1 T2

t

t

Circuite de impuls

Pentru modificarea factorului de umplere se poate înlocui rezistenţa R cu o schemă de forma :

În acest caz în circuit la încărcarea condensatorului intervine rezistenţa R2 şi la descărcare intervine R1.

2. Varianta cu porţi CMOS. Schema prezintă două porţi inversoare .

Diagramele de timp care caracterizează funcţionarea circuitului sunt :

40

R1

R2

D1

D2

I1 I2

v0

C

R

vi2

0 1 0

v0

V0L

V0H+VdpV0H

Vp

V0L

Vdp

t

tvi2

T1 T2

Circuite de impuls

Presupunând că iniţial ieşirea porţii I2 este pe 0 logic şi condensatorul C este descărcat rezultă că la intrarea porţii I1 avem 0 logic şi la ieşirea porţii I1 avem 1 logic. Condensatorul C

se încarcă exponenţial prin rezistenţa R şi la o valoare , intrarea porţii I1 sesizează 1

logic comutând în starea 0 logic la ieşire.În acest caz ieşirea porţii I2 trece pe 1 logic. La intrarea porţii I2 având în vedere că

tensiunea pe condensator ar trebui să devină 1,5VD.În realitate datorită diodelor de protecţie existente la intrarea inversorului CMOS

tensiunea maximă este limitată la valoarea VD + Vdp unde Vdp este tensiunea pe dioda conectată între intrare şi VD.

La fel, valoarea minimă a impulsului negativ de tensiune la intrare va fi limitată la Vdp

datorită diodei de protecţie conectată între intrare şi masă.Determinarea duratelor T1 şi T2 se face scriind ecuaţiile tensiunii în punctul I ( vi ).

La momentul t = T1 se obţine vi ( t ) =Vp

Considerând originea timpului la sfârşitul perioadei T1 se obţine.

Dacă la momentul t = T2 tensiunea VI ( t ) = VP se obţine :

Se observă că în acest caz valorile T1 şi T2 sunt aproximativ egale ca valoare.Dezavantajele schemei îl constituie faptul că modificarea tensiunii de alimentare duce

la modificarea lui T1 respectiv respectiv T2.

41