Κυκλώματα Χρονισμού Διάλεξη 9.

Παρουσίαση με θέμα: "Κυκλώματα Χρονισμού Διάλεξη 9."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Κυκλώματα Χρονισμού Διάλεξη 9

2 Δομή της διάλεξης Schmitt Trigger Πολυδονητές Ο Χρονιστής 555
Ταλαντωτής δακτυλίου Ασκήσεις

3 Κυκλώματα Χρονισμού Schmitt Trigger

4 Schmitt Trigger Αναγεννητικό κύκλωμα
Χαρακτηριστική μεταφοράς τάσης με υστέρηση Διαφορετικά κατώφλια εισόδου για σήματα τάσης μεταβαλλόμενα προς τα θετικά και προς τα αρνητικά Επαναφέρει τις ακμές των σημάτων εισόδου Χρήσιμο σε περιπτώσεις που το σήμα έχει διέλεθει από μακριά γραμμή και έχει ταλαντώσεις

5 Χαρακτηριστική Μεταφοράς Τάσης και Σύμβολο

6 Καταστολή Θορύβου

7 Υλοποίηση με BJTs

8 Υλοποίηση με CMOS (1)

9 Μετακινεί το κατώφλι του πρώτου αντιστροφέα
Υλοποίηση με CMOS (2) Μετακινεί το κατώφλι του πρώτου αντιστροφέα

10 Κυκλώματα Χρονισμού Πολυδονητές

11 Πολυδονητές Αναγεννητικά κυκλώματα 3 τύποι:
Διπλοσταθερό κύκλωμα: δύο σταθερές καταστάσεις, αλλάζει κατάσταση με σκανδαλισμό και μένει σε αυτή σταθερά, εφαρμογή: latches και Flip-Flops Μονοσταθές κύκλωμα: μία σταθερή κατάσταση και μία ημισταθή συγκεκριμένης χρονικής διάρκειας (προσδιορίζεται από τις παραμέτρους του κυκλώματος) στην οποία εισέρχεται με σκανδαλισμό και μετά επιστρέφει στην σταθερή κατάσταση, εφαρμογή: one shot timer Ασταθές κύκλωμα: δεν έχει σταθερές καταστάσεις, ταλαντώνεται μεταξύ δύο ημισταθών καταστάσεων, η διάρκεια κάθε μίας προσδιορίζεται από τις παραμέτρους του κυκλώματος, εφαρμογή: oscillator

12 Μονοσταθής Πολυδονητής
Λειτουργία (κανονικοποιητής παλμών):

13 Μονοσταθής Πολυδονητής
Αρχή λειτουργίας:

14 Μονοσταθής Πολυδονητής
Κύκλωμα με χρήση CMOS NOR πυλών: Η πηγή υI παρέχει θετικούς παλμούς σκανδαλισμού

15 Μονοσταθής Πολυδονητής
(a) Δίοδοι σε κάθε είσοδο μιας CMOS πύλης δύο εισόδων (b) Ισοδύναμο κύκλωμα διόδων όταν οι δύο είσοδοι είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους Οι δίοδοι έχουν ρόλο να προστατεύουν τις πύλες των συσκευών από πιθανές καταστρεπτικές υπερτάσεις λόγω συσσώρευσης στατικού ηλεκτρικού φορτίου

16 Μονοσταθής Πολυδονητής
Προσεγγιστικό ισοδύναμο κύκλωμα εξόδου CMOS πύλης όταν η έξοδος είναι (a) low – η πύλη τραβάει ρεύμα και (b) high – η πύλη παρέχει ρεύμα.

17 Μονοσταθής Πολυδονητής
Ισοδύναμο κύκλωμα κατά την εκφόρτιση της C στο τέλος του κανονικοποιημένου χρόνου T

18 Μονοσταθής Πολυδονητής
Οι κυματομορφές στους διάφορους κόμβους του κυκλώματος

19 Ασταθής Πολυδονητής Κύκλωμα με χρήση CMOS NOR πυλών:

20 Ασταθής Πολυδονητής Οι κυματομορφές του κυκλώματος
Οι δίοδοι στην είσοδο έχουν θεωρηθεί ιδανικές και επομένως περιορίζουν την τάση υI1 μεταξύ 0 και VDD

21 Κυκλώματα Χρονισμού Ο Χρονιστής 555

22 Χρονιστής 555 Μπλοκ διάγραμμα που αναπαριστά το εσωτερικό κύκλωμα του χρονιστή 555

23 Χρονιστής 555 - Μονοσταθής
(a) Οι συνδέσεις του χρονιστή 555 για χρήση ως μονοσταθούς πολυδονητή, (b) οι κυματομορφές του κυκλώματος

24 Χρονιστής Ασταθής (a) Οι συνδέσεις του χρονιστή 555 για χρήση ως ασταθούς πολυδονητή, (b) οι κυματομορφές του κυκλώματος

25 Κυκλώματα Χρονισμού Ταλαντωτής δακτυλίου

26 Ταλαντωτής δακτυλίου Ταλαντωτής δακτυλίου (Ring Oscillator)
Σχηματίζεται με την δακτυλιοειδή σύνδεση περιττού αριθμού αντιστροφέων (η έξοδος του ενός οδηγεί την είσοδο του επόμενου) Χρήσιμο και για τη μέτρηση του μέσου χρόνου καθυστέρησης μετάδοσης μιας λογικής πύλης

27 Ταλαντωτής δακτυλίου Λειτουργία του ταλαντωτή
Συχνότητα ταλάντωσης: όπου Ν είναι ο αριθμός των αντιστροφέων

28 Κυκλώματα Χρονισμού Ασκήσεις

29 Άσκηση 1 – Εκφώνηση (προς λύση)
Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα εναλλακτικό κύκλωμα για τον CMOS πολυδονητή. (α) Σχεδιάστε τις κυματομορφές τάσης στα V1, V2, Vx με ένα κατάλληλο σύστημα σκανδαλισμού. (β) Αναπτύξτε μία απλή εξίσωση για το εύρος του παλμού εξόδου στην V1.

30 Άσκηση 2 – Εκφώνηση (προς λύση)
Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα NMOS Schmitt trigger κύκλωμα. Υποθέστε ότι VTD=-2V, VTE=+1V, k’=20μA/V2, και γ=λ=0. Να σχεδιάσετε την VTC με εκτιμήσεις για τις VT+ και VT- .

31 Άσκηση 3 – Εκφώνηση Βρείτε μία έκφραση για την συχνότητα ταλάντωσης Fo του ασταθούς πολυδονητή του παρακάτω σχήματος υπό την συνθήκη VTH=VDD/2. Βρείτε τις κατάλληλες τιμές R1 και C ώστε Fo=100K.

32 Άσκηση 3 – Λύση Η τάση στην είσοδο της πύλης U1A μεταβάλλεται λόγω της φόρτισης του πυκνωτή C1. Ο πυκνωτής C1 φορτίζεται από την τάση –Vd (τάση αγωγής της διόδου προστασίας της εισόδου της πύλης CMOS) προς την τάση τροφοδοσίας. Η φόρτιση σταματά όταν η τάση Uo1 φτάσει την τάση VTH της πύλης. Λόγω της συμμετρίας της VTH τα ίδια ισχύουν και για την εκφόρτιση του πυκνωτή. Η τιμή της ημιπεριόδου είναι: Επιλέγουμε ως R1 μια μεγάλη αντίσταση έτσι ώστε το λάθος που εισάγεται λόγω της απαλοιφής της Ron να μην είναι σημαντικό (R1=10K). Συνεπώς ο πυκνωτής C1=490pF.

33 Άσκηση 4 – Εκφώνηση Χρησιμοποιώντας το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος, σχεδιάστε ένα μονοσταθές κύκλωμα λογικής CMOS στο οποίο Ron=100Ω, VDD=5V και VTH=0.4VDD. Χρησιμοποιείστε C=1μF για να δημιουργήσετε παλμό διάρκειας 1 sec. Ποιά είναι η τιμή της R που πρέπει να χρησιμοποιηθεί;

34 Άσκηση 4 – Λύση Η σταθερά χρόνου φόρτισης του πυκνωτή C εξαρτάται από την αντίσταση R1 και την εσωτερική αντίσταση εξόδου της πύλης U1A. Η αρχική τάση Ui2 δίνεται από το διαιρέτη τάσης λόγω των Ron και R1. Ο πυκνωτής φορτίζεται προς την τάση VDD αλλά όταν η τάση φθάσει την τιμή VTH η πύλη U1B πηγαίνει στο “0” παρασύροντας την U1A στο “1” Θεωρούμε ότι η R1 είναι πολύ μεγαλύτερη από την Ron και έτσι ο χρόνος φόρτισης του πυκνωτή μέχρι την τάση VTH θα είναι:

35 Άσκηση 5 – Εκφώνηση Ένας απλός NMOS μονοσταθής πολυδονητής φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Υποθέστε ότι VTD=-2V, VTE=+1V, k’=20μA/V2, και γ=λ=0. (α) Σχεδιάστε τις κυματομορφές τάσης στις VDS2, VGS4 και VDS4 με ένα κατάλληλο σήμα σκανδαλισμού. (β) Υπολογίστε την τιμή του Cx για ένα εύρος παλμού εξόδου 10μsec.

36 Άσκηση 5 – Λύση Τα Μ1, Μ2, Μ3 αποτελούν μία πύλη NOR. Τα Μ4, Μ5 αποτελούν μία πύλη NOT. To M6 συμπεριφέρεται σαν μία πηγή ρεύματος που φορτίζει τον πυκνωτή. Αρχικά η είσοδος είναι “0” και η έξοδος της NOR είναι “1” αφού και η έξοδος του αναστροφέα είναι “0” εφ’ όσον έχει είσοδο “1” που προκύπτει από το M6. Όταν η είσοδος Vin γίνει “1” η έξοδος της NOR και συνεπώς το ένα (αριστερό) άκρο του πυκνωτή θα γίνει “0”, συμπαρασύροντας την είσοδο του αναστροφέα στο “0”. Ο πυκνωτής τώρα θα φορτίζεται με σταθερό ρεύμα μέσα από το Μ6. Ας σημειωθεί ότι θεωρούμε την αντίσταση Rdon του Μ2 πολύ μικρή (δείτε τους λόγους W/L των Μ2 και Μ6).

37 Άσκηση 5 – Λύση Το Μ6 θα συμπεριφέρεται σαν πηγή ρεύματος όσο η τάση VDS>(VGS-VTE) VDS>2V ή αλλιώς όσο η τάση στο δεξί άκρο του πυκνωτή είναι μικρότερη από 3V. Το ρεύμα που παρέχει το Μ6 είναι: Όταν η τάση στο δεξί άκρο του πυκνωτή φτάσει την τάση αγωγής του Μ4, τότε η έξοδος του αναστροφέα γίνεται “0” και η έξοδος της NOR γίνεται “1”. Ο χρόνος που απαιτείται για την φόρτιση του πυκνωτή συμπίπτει με το εύρος του παλμού εξόδου και είναι: Τ=Cx/IDS(M6). Έτσι, για να έχουμε εύρος παλμού ίσο με 10μs θα πρέπει ο Cx=80pF.

38 Άσκηση 6 – Εκφώνηση Οι κυματομορφές για το μονοσταθές κύκλωμα του παρακάτω σχήματος δίδονται στο σχήμα. Έστω VDD = 10V, VTH = VDD/2, R=10K, C=1nF και Ron=200Ω. Βρείτε τις τιμές των Τ, ΔV1 και ΔV2. Πόσο μεταβάλλεται η uO1 κατά την διάρκεια της ημιευσταθούς κατάστασης; Ποιο είναι το μέγιστο ρεύμα που τραβά η U1A; Ποιο είναι το αντίστοιχο ρεύμα που παρέχει; Οι κυματομορφές δείχνουν ποιοτικά (όχι ποσοτικά) την τάση στα διάφορα σημεία του κυκλώματος

39 Άσκηση 6 – Λύση Η σταθερά χρόνου φόρτισης του πυκνωτή C εξαρτάται από την αντίσταση R1 και την εσωτερική αντίσταση εξόδου της πύλης U1A. Η αρχική τάση Ui2 θα είναι Ο πυκνωτής φορτίζεται προς την τάση VDD αλλά όταν η τάση φθάσει την τιμή VTH η πύλη U1B πηγαίνει στο “0” παρασύροντας την U1A στο “1”. Ο χρόνος φόρτισης του πυκνωτή μέχρι την τάση VTH είναι: Λόγω της αλλαγής της τάσης εξόδου της πύλης U1A σε “1” θα έχουμε αντίστοιχη αλλαγή τάσης και στο σημείο Ui2. Η αλλαγή της τάσης θα είναι: και συνεπώς η τάση στο σημείο Ui2 θα φτάσει την τιμή 9,8V+VTH=14,8V. Από εκεί θα εκφορτιστεί μέσω των δύο αντιστάσεων στο VDD. Στην πραγματικότητα, οι δίοδοι προστασίας της εισόδου της πύλης U1B θα περιορίσουν την τάση στα VDD+0,7V=10,7V.

40 Άσκηση 6 – Λύση Το μέγιστο ρεύμα το τραβά η πύλη την στιγμή του Trigger Το μέγιστο ρεύμα το δίνει η πύλη στο τέλος του παλμού εξόδου. Αν θεωρήσουμε την αντίσταση αγωγής της διόδου προστασίας αμελητέα τότε έχουμε

41 Πανεπιστήμιο Πατρών, Πολυτεχνική Σχολή
Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρονικής & Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών Η διάλεξη έγινε στο πλαίσιο του προγράμματος EΠΕΑΕΚ II από το μεταπτυχιακό φοιτητή Παπαμιχαήλ Μιχαήλ για το μάθημα Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου ©2008