CBA cu porti logice

CBA cu porti logice

Generalitati

Consider un numar impar de porti NU legate in inel; se obtine un oscilator.

Presupun T_p timpul mediu de propagare prin porti; atunci perioada oscilatiilor este T=2nT_p, unde n=2k+1 este numarul portilor.

Daca T_p = 10ns T f = = 10⁹ Hz

Daca n = 3 T f = 10⁹ Hz = 16.6 MHz

Observatii

1. Din calculul anterior se poate determina frecventa maxima a unui astfel de oscilator.

2. Frecventa depinde de timpul de propagare specific portilor. Acesta poate depinde de alimentare (circuite CMOS).

3. In general, pornind de la circuitul anterior si introducind in lant circuite de intirziere, care sa dicteze timpul de propagare prin lant, se obtin CBA cu porti.

CBA cu porti logice si trigger Schmitt

Cel mai simplu circuit de intirziere este RC trece-jos. Acesta poate fi intercalat in lantul de n=2k+1 inversoare, daca primul inversor de dupa circuitul RC trece-jos este cu caracteristica de trigger Schmitt.

Vom considera varianta cu porti idealizate, adica R_in ; R_ies

Formele de unda pentru circuitul anterior semnificative sint:

In intervalul [t1, t2], U_C este mai mica decit U₁, iesirea U_O=1=U_OH; iesirea portii P₁ este U_P1=1 si C se incarca prin R spre U_OH. In momentul t₂ U_C atinge U₁ si poarta TS, P₂, basculeaza, basculeaza si iesirea portii P₁ (U_O=0) si condensatorul C se descarca prin R.

Rezulta o functionare in care tensiunea pe condensatorul C variaza exponential intre cele doua praguri ale TS.

Calculul perioadei de oscilatie decurge astfel:

- calculul lui T₁

U_C(0)=U₂

U_C )=U_OH

t=RC

U_C(t)=U_OH+[U₂-U_OH]e^-t/RC

U_C(T₁)=U₁

T₁ = RC ln

- calculul lui T₂

U_C(0)=U₁

U_C )=U_OL

t=RC

U_C(t)=U_OL+[U₁-U_OL]e^-t/RC

U_C(T₂)=U₂

T₂ = RC ln

Observatii

1. Se poate realiza varianta cu n=1 sau cu n=5.

Relatiile sint aceleasi daca neglijam T_P

2. Varianta cu circuite CMOS

Caracteristica de transfer este ideala, R_in , dar R_ies este mare si T_P destul de mare. Relatiile pentru T₁ si T₂ sint cu precizie acceptabila, deci daca temporizarile sint mai mari ca T_P (frecvente mai scazute - sub 1 MHz) si daca R>>R_{ies CMOS} (R de la zeci de kW in sus), U_OH=V_DD; U_OL

3. Varianta cu circuite TTL

Se tine cont de R_{ies TTL} si R_{in TTL} => se recomanda R ~ 450 W (in plus intre intrarea si iesirea unei porti TTL nu se poate cupla o rezistenta prea mare). Relatiile au o precizie acceptabila daca U_OH=3.9V si U_OL

4. Varianta cu AO

Daca se utilizeaza un TS cu AO in varianta inversoare se poate realiza un CBA cu n=2 (varianta cu o poarta) dupa schema:

Relatiile pentru T₁ si T₂ se pastreaza cu

In plus, de regula U_OH = +V_CC si U_OL = -V_CC

Problema: Cu un AO in montaj TS alimentat la V_CC si V_ref se realizeaza CBA dupa montajul de mai sus. Sa se calculeze perioada de oscilatie ca functie de R_D, R₁, R₂, V_CC

5. Varianta cu bE555

CBA cu porti logice si circuit RC (fara trigger Schmidt)

Daca in variantele cu TS facem ca cele doua praguri sa se apropie (U₁ U₂), atunci T₁ si T₂ tind la 0. Se observa ca schema cu poarta obisnuita in loc de TS nu functioneaza.

CBA cu circuit RC si porti idealizate

Se considera R_in , R_ies=0 si caracteristica de transfer:

Condensatorul C nu se leaga la masa ci la nivel inversat fata de R.

Initial (intervalul T₁) U_A=1 => P₁=0, P₂=1, P₃=0. Are loc o circulatie de curent: iesire P₂=1, condensator C, R, iesire P₃=0; iar U_A scade exponential spre U_OL. Cind U_A atinge U_P, circuitul basculeaza cu P₁=1, P₂=0 si P₃=1; saltul in jos de la P₂ se transmite prin C si la U_A, deci la intrarea lui P₁. Incepe incarcarea lui C pe traseul P₃=1, R, C, P₂=0. Tensiunea U_A creste exponential spre 0 (este esential ca R si C sa fie legate la nivele logice diferite). Cind se atinge U_P circuitul rebasculeaza in starea innitiala.

- calculul lui T₁

U_A(0)=U_P+(U_OH-U_OL

U_A )=U_OL

t=RC

U_A(t)=U_OL+[U_P+U_OH-2U_OL]e^-t/RC

U_A(T₁)=U_P

T₁ = RC ln

- calculul lui T₂

U_A(0)=U_P-(U_OH-U_OL

U_A )=U_OH

t=RC

U_A(t)=U_OH+[U_P+U_OL-2U_OH]e^-t/RC

U_A(T₂)=U_P

T₂ = RC ln

_{Observatie: Se poate porni de la varianta cu n=1. In acest caz mai trebuie o poarta pentru a se obtine nivel inversat pentru C. Functionarea si relatiile sint identice. Condensatorul C fiind legat dupa R la un nivel inversat, circuitul este cu amorsare nesigura.}

CBA cu circuit RC si porti TTL

Variantele ideale prezentate anterior se pot realiza cu porti TTL daca:

1. R este de ordinul 150 W. Pentru valori mai mari de 8 kW circuitul nu functioneaza (rezistenta mare cuplata intre doua porti TTL). Pentru valori mai mici intervine si R_ies

2. Intrarea portii P este prevazuta cu dioda de taiere catre masa, deci saltul in jos este limitat la

-V_D. Formele de unda devin:

- T₁ se calculeaza dupa aceeasi relatie (neglijez R_ies si R_in deoarece R~500 W

T₁ = RC ln

- calculul lui T₂

U_A(0)=-V_D

U_A )=U_OH

t=RC

U_A(t)=U_OH+[-V_D-U_OH]e^-t/RC

U_A(T₂)=U_P

T₂ = RC ln

Se aleg U_OH=3.9 V; U_P=1.4 V; U_OL=0.1 V si V_D=0.65 V. Relatiile au precizii afectate de neglijarea rezistentelor R_ies si R_in

CBA cu circuit RC si porti CMOS

Variantele idealizate se pot realiza cu circuite CMOS daca se au in vedere modificarile:

- R_in poate fi neglijat sigur (R_in ); R_ies poate fi neglijat daca se adopta R>>R_ies

- influenta circuitului de protectie al portii P₁ este: diodele D₁ si D₂ intra in functie daca U_A depaseste +V_DD sau masa. In consecinta salturile in sus si in jos vor fi limitate la +V_DD + V_D si respectiv -V_DD

Observatie: Exista circuite CMOS cu alt tip de protectie pentru intrari care admit tensiuni de intrare mai mari ca +V_DD sau mai mici ca 0 si atunci limitarea nu se mai face la aceste nivele.

- la circuite CMOS, U_OH = V_DD , U_OL ~ 0 si U_p = V_DD

Forma de unda si calculul temporizarilor devine:

- calculul lui T₂ este identic cu cel de la TTL inlocuind V_OH=V_DD

T₁ = RC ln

- calculul lui T₁

U_A(0)=V_DD + V_D

U_A

t=RC

U_A(t)=[V_DD + V_D]e^-t/RC

U_A(T₁)=U_P

T₁ = RC ln

Observatie: Chiar daca inlocuim U_P=V_DD/2, T₁ si T₂ ramin dependente de V_DD

CBA cu circuit RC, porti CMOS si rezistenta serie de intrare

R₁ intre A si P₁ realizeaza:

- protectie pentru D₁ si D₂din circuitul de intrare al lui P₁

- reduce dependenta temporizarilor T₁ si T₂ de V_DD

Functionarea circuitului este identica; forma de unda din A se modifica insa ca in figura:

Circuitul de intrare pentru P₁ nu mai limiteaza saltul de tensiune U_A. Acest salt are valoarea U_OH-U_OL=V_DD. Se observa insa ca atit timp cit U_A=V_DD+V_D (intervalul T_1A) descarcarea condensatorului C se face atit prin R cit si prin R₁ si D₁ deschisa. De asemenea, in intervalul T_2A, cit tensiunea U_A<-V_D este deschisa D₂ si incarcarea lui C se realizeaza prin R dar si prin R₁ si D₂

- Calculul temporizarii

T₁=T_1A+T_1B

- calculul lui T_1A

Schema echivalenta este:

t=0 inceputul lui T_1A

U_A(0)=U_P + V_DD

U_A )=(V_DD + V_D)*R/(R₁+R)    (la , C e intrerupt si in A am V_DD+V_D

divizata)

t₁=(R||R₁)*C

U_A(t) = (V_DD + V_D) + [V_DD + V_p -

T_1A = (R||R₁) C ln

T_1A = (R||R₁) C ln

Cind U_A scade sub V_DD+V_D, D₁ se blocheaza si circuitul echivalent devine:

Descarcarea lui C se face prin R. Relatia lui T_1B este identica cu cea pentru T₁ de la varianta fara R₁, adica:

T_1B=RCln

Calculul pentru T₂ decurge analog:

Pentru T_2A avem U_A < -V_D si D₂ este deschisa, schema echivalenta pentru circuit fiind:

Initial C are minus spre A astfel ca incarcarea se face prin R dar si prin R₁

U_A(0)=U_P-V_DD

U_A( )=-U_P+R₁

t=(R||R₁)C

U_A(t)=

U_A(T_2A)=- V_D

T_2A = (R||R₁) C ln

T_2A = (R||R₁) C ln

In continuare, D₂ se blocheaza si circuitul echivalent ramine. Incarcarea lui C se face numai prin R. Relatia T_2B este identica cu cea dedusa pentru T₂ anterior, adica:

T_2B=RCln

Perioada de oscilatie este T=T_1A+T_1B+T_2A+T_2B, adica:

T = (R||R₁) C ln

+ RCln

Observatie

Notam k= =>

T =(R||R₁) C ln

+ RCln

Daca se calculeaza lim T, atunci:

k

lim T=RCln+RCln

lim T=RCln

Relatia corespunde cu cazul idealizat particularizat pentru circuite CMOS, adica U_OH=V_DD si U_OL=0. In plus, daca avem in vedere ca pentru circuite CMOS U_P=V_DD/2, atunci:

lim T=RCln9=RCln9=2RCln3

ceea ce inseamna ca perioada nu depinde de V_DD. In practica se recomanda k=R₁/R=10. Pentru o valoare mai mare ar fi necesar R₁ prea mare si in acest fel R₁ impreuna cu capacitatea de intrare de la P₁ ar constitui un circuit R₁C de intirziere care modifica relatiile de intirziere.