КМОП-триггер Шмитта — уникальный универсальный компонент конструкции

Автор перевода: Одинец Александр Леонидович, г.Минск, Беларусь
[email protected] http://Dynamic-Lights.narod.ru http://Art-Of-Light.narod.ru

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.
Схема триггера Шмитта находит применение в самом широком спектре приложений, как аналоговых, так и цифровых. В интегральном исполнении логические элементы с триггерами Шмитта выпускаются во многих сериях. Такие элементы входят в состав как ТТЛШ (К531, К555, КР1533), так и КМОП-серий (КР1554, КР1564, КР1594 и др.). Универсальность ТТЛШ-триггера Шмитта ограничена узким диапазоном питающих напряжений (обычно 4,5 — 5,5 В), ограниченными возможностями согласования по уровням напряжения с другими сериями, низким входным сопротивлением и несбалансированной выходной характеристикой. Вообще говоря, триггер Шмитта может быть выполнен и на дискретных элементах (транзисторах, диодах, резисторах и т.д.), но если требуется найти компромиссное решение по нескольким параметрам одновременно, то это уже будет не простая задача. Кроме того, технология производства микроэлектронных изделий позволяет изготовить на одном кристалле несколько (обычно 4 — 6) триггеров Шмитта с практически одинаковыми параметрами. Триггер Шмитта, изготовленный по КМОП технологии, по сравнению с ТТЛШ-триггером Шмитта, обладает целым рядом преимуществ. Поэтому он используется в тех приложениях, где последний окажется неработоспособен. Эти приложения включают: согласование операционных усилителей с цифровыми схемами, передача и прием сигналов при работе на длинные линии, схемы преобразователей уровня и некоторые другие. Триггер Шмитта, выполненный по КМОП технологии имеет следующие преимущества:

• Высокое входное сопротивление (1012 Ом);
• Сбалансированные входные и выходные характеристики;
• Пороговое напряжение симметрично относительно половины питающего напряжения;
• Практически одинаковые вытекающий и втекающий выходные токи;
• Амплитуда выходного напряжения практически равна напряжению источника питания;
• Изменение порогового напряжения мало зависит от температуры;
• Широкий диапазон питающих напряжений (3 —15 В для серий К561 и КР1561);
• Возможность применения в схемах с двуполярным питанием;
• Низкое энергопотребление, даже в моменты переключения;
• Высокая помехоустойчивость.

АНАЛИЗ ТИПОВОЙ СХЕМЫ ТРИГГЕРА ШМИТТА.

Типовая схема логического элемента (на примере инвертора), построенного на базе триггера Шмитта, приведена на рис. 1. Рассмотрим принцип его работы, считая, что в начальный момент времени на вход “Input” подан нулевой потенциал напряжения.

В этом случае транзисторы VT1 и VT2 полностью открыты, а VT3, VT4 и VT5 — закрыты. Напряжение в точке “OUTint” практически равно напряжению источника питания. При этом VT6 открыт и работает как истоковый повторитель. Напряжение в точке соединения стока VT4, истока VT3, а также стока VT6 равно разности питающего напряжения и падения напряжения на сопротивлении канала транзистора VT6. Поскольку оба транзистора VT3 и VT4 в начальный момент времени закрыты, напряжение в указанной точке равно питающему. Если начать увеличивать напряжение на входе, а значит, и на затворах VT1, VT2, VT3, VT4, то при достижении порогового напряжения транзистора VT4, он начинает приоткрываться. При этом оба включенных транзистора VT4 и VT6 образуют делитель напряжения с потенциалом в точке их соединения равным половине питающего напряжения. Соответственно, этот потенциал “привязывает” исток транзистора VT3 к половине питающего напряжения. Когда входное напряжение начинает превышать половину питающего на величину порогового напряжения открывания транзистора VT3 этот транзистор начинает приоткрываться, инициируя тем самым процесс переключения всей схемы. Начиная с этого момента, даже незначительное приращение входного напряжения приведет к резкому снижению напряжения в точке “OUTint” до нуля. Когда напряжение в точке “OUTint” падает, истоковый повторитель VT6 закрывается, и напряжение на его стоке (точка соединения VT3, VT4, VT6) уменьшается, следуя за напряжением на затворе. Влияние VT6 в цепочке делителя напряжения VT4-VT6 снижается до нуля, приводя к еще более резкому спаду напряжения в точке “OUTint”. В это же время начинает приоткрываться транзистор VT5, поскольку потенциал на его затворе (в точке “OUTint”) быстро снижается. Открывание VT5 приводит к установке на истоке транзистора VT2 потенциала, близкого к нулевому, поэтому последний закрывается. В момент закрывания VT2, потенциал в точке “OUTint” лавинообразно снижается до нуля. Лавинообразное переключение схемы происходит благодаря единичному коэффициенту петли обратной связи, образуемой транзисторами истоковых повторителей.

Когда входное напряжение изменяется в обратном направлении — от питания до нуля, аналогичный процесс происходит с верхней секцией транзисторного каскада, и лавинообразное переключение происходит при достижении нижнего значения порогового напряжения. Инверторы, собранные на транзисторах VT7, VT8 и VT9, VT10 образуют защелку, которая стабилизирует потенциал в точке “OUTint”. Буферный инвертор на транзисторах VT11, VT12 предназначен для повышения нагрузочной способности триггера. Типичные передаточные характеристики показаны на рис. 2 и границы верхнего и нижнего гарантированных диапазонов допустимой ошибки на рис. 3.

ПРЕИМУЩЕСТВА ГИСТЕРЕЗИСА.
Гистерезисом называется различие в ответной реакции схемы под воздействием входного напряжения. Шумовой сигнал, который превышает пороговое напряжение переключения компаратора, может вызывать многократное переключение его выхода, если время ответной реакции компаратора меньше, чем время между ложными воздействиями сигнала. Триггер Шмитта имеет два порога компарации: амплитуда любого сигнала помехи должна превышать разницу пороговых напряжений для того, чтобы произошло многократное переключение состояния триггера. Для КМОП-триггера Шмитта при напряжении питания VDD=10 В, типовое значение разницы пороговых напряжений составляет 3,6 В, которого вполне достаточно, чтобы преодолеть воздействие практически любого ложного сигнала помехи на входе.

Компаратор, построенный на основе КМОП-триггера Шмитта, находит широкое применение для восстановления строго прямоугольной формы сигнала, транслируемого по длинной несогласованной линии связи. Пороговое напряжение компаратора задается равным половине амплитуды входного сигнала (рис. 4б). Это делается для того, чтобы предотвратить искажение длительности сигнала. Если по линии передачи транслируется импульс длительностью 4 мкс, то и на приемной стороне должен быть восстановлен импульс точно такой же длительности, иначе произойдет искажение сигнала. Если компаратор имеет пороговое напряжение выше половины уровня амплитуды сигнала, это приводит к уменьшению длительности положительных импульсов, и увеличению длительности отрицательных (рис. 4в). Это называется искажением вследствие расщепления уровней входного сигнала. Триггер Шмитта имеет как положительное VT+, так и отрицательное VT- смещение уровня порогового напряжения. Для КМОП-триггера Шмитта эти значения приблизительно симметричны относительно половины уровня амплитуды сигнала, поэтому длительность импульса равная 4 мкс в точности восстанавливается (рис. 4г). Несмотря на то, что восстановленный импульс получает задержку по времени, его длительность остается неизменной. Таким образом, обеспечивается высокая помехоустойчивость, и, благодаря наличию гистерезиса, искажения сигнала не происходит.

ПРИМЕНЕНИЕ КМОП-ТРИГГЕРА ШМИТТА.
Большинство примеров, приведенных далее, показывают, как используется КМОП-триггер Шмитта, чтобы упростить конструкцию или улучшить производительность. Некоторые схемотехнические решения невозможно построить с использованием триггеров Шмитта других серий, кроме КМОП.

На рис. 5а представлена типичная схема преобразователя сигнала синусоидальной формы в прямоугольные импульсы. Благодаря симметрии порогового напряжения относительно половины питающего напряжения, для такого триггера можно легко сформировать опорный потенциал с помощью двух резисторов. Высокое входное сопротивление упрощает выбор номиналов резисторов и развязывающего конденсатора. Поскольку КМОП имеют широкий диапазон питающих напряжений, КМОП-триггер Шмитта может работать в системе с двуполярным питанием (рис. 5б). Это привязывает середину порогового напряжению к нулю и позволяет подключить вход триггера Шмитта непосредственно к выходу операционного усилителя без развязывающего конденсатора.

На рис. 6 показан преобразователь “частота-напряжение”, который может работать с управляющим сигналом различной формы. Несмотря на то, что энергия колебаний различной формы отличается, выходное напряжение преобразователя зависит только от частоты колебаний. Поскольку амплитуда выходного сигнала КМОП-триггера Шмитта практически равна напряжению источника питания, постоянный размах сигнала, прикладываемый к обкладкам конденсатора C1, вызывает протекание тока через конденсатор, который зависит только от частоты. Положительная полуволна напряжения с выхода конденсатора через диод D1 закорачивается на общий провод. Отрицательная полуволна напряжения вызывает протекание тока инвертирующего входа операционного усилителя через диод D2 и преобразование его в среднее значение напряжения интегрирующей цепочкой C2-R2.

Поскольку амплитуда выходного напряжения КМОП-триггера Шмитта практически равна напряжению источника питания, то напряжение, прикладываемое к С2, равно напряжению источника питания.

Триггеры Шмитта находят широкое применение, когда из медленно изменяющегося входного сигнала необходимо сформировать прямоугольный импульс с большой крутизной нарастания напряжения. На рис. 7 показана типичная схема светового сенсора или ключа, управляемого светом. Высокое входное сопротивление КМОП-триггера Шмитта упрощает подачу напряжения начального смещения. Большинство фоторезисторов имеют темновое сопротивление порядка нескольких МОм и порядка нескольких КОм при ярком освещении. Поскольку КМОП схема имеет входное сопротивление порядка 1012 Ом, изменение выходного напряжения не оказывает никакого влияния на входной каскад. Поэтому, при выборе сопротивления резистивного делителя, входным сопротивлением КМОП-триггера Шмитта можно пренебречь.

Еще одним случаем применения КМОП-триггера Шмитта является простейший RC-генератор (рис. 8), построенный всего из трех элементов. Таким образом, с использованием одной микросхемы КР1564ТЛ2, содержащей шесть одинаковых триггеров Шмитта, можно построить шесть экономичных RC-генераторов. Скважность выходных прямоугольных импульсов близка к двум, благодаря хорошо сбалансированным входным и выходным характеристикам КМОП-схемы. Уравнение выходной частоты предполагает, что t1 = t2 ≥ t pd0 + t pd1.

Ранее мы видели, каким образом с помощью КМОП-триггера Шмитта повышается помехоустойчивость несбалансированной линии передачи. Рис. 9 показывает применение триггера Шмитта для сбалансированной или дифференциальной линии передачи. На рис. 9а показан элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, входящий в состав микросхемы КР1564ЛП5 (74HC86), который также может быть построен на элементах И-НЕ микросхемы КР1564ЛА3 (74HC00). Если на линии появляется несбалансированный сигнал помехи, генерируемый в результате интерференционного взаимодействия или воздействия внешних источников шума, данная схема формирует сигнал ошибки.

Схема на рис. 9б представляет собой дифференциальный приемник сигнала, который восстанавливает сбалансированные передаваемые данные, но игнорирует несбалансированный сигнал. Если схемы, приведенные на рис. 9, использовать совместно, то детектор ошибки мог бы сигнализировать передатчику о необходимости приостановки передачи данных до момента восстановления сбалансированного сигнала. В это время приемник сигнала мог бы помнить последние правильно принятые данные, пока несбалансированный сигнал присутствует на линии. Когда сбалансированный сигнал восстанавливается, приемник начинает принимать уже правильные данные с того места, где произошел сбой.

Благодаря наличию ограничительных защитных диодов во входной цепи, стандартный диапазон входного напряжения для КМОП-триггера Шмитта составляет от GND - 0,3 В до VDD + 0,3 В. Любое превышение входным напряжением указанных значений вызывает резкое возрастание тока через ограничительные диоды. Для практического применения желательно иметь диапазон входного напряжения во много раз больше указанного значения. К примеру, линии передачи часто работаю при напряжении ±12 В, а операционные усилители ±15В. Решением этой проблемы является применение специальной защитной цепи на входе триггера Шмитта. Это позволяет подавать на входы напряжение +25 В выше уровня питания и -25 В ниже уровня земли. В таком случае схему преобразователя формы сигнала (рис. 6б) можно питать напряжением ±1,5 В и подключать непосредственно к выходу операционного усилителя, имеющего диапазон питающих напряжений ±15 В.

Типовая и усовершенствованная схемы входной защиты показаны на рис. 10. Показанные на схеме диоды имеют обратное пробивное напряжение порядка 35В. Положительное входное напряжение может достигать такого значения, при котором еще не происходит пробоя обратно смещенного диода D2 и прямо смещенного D3, что в сумме составляет около 35В. Отрицательное входное напряжение может достигать значения, не превышающего суммарное напряжение пробоя обратно смещенного диода D1 и прямосмещенного D2, что в сумме также составляет около 35В. Также обеспечивается необходимая защита от разряда статического электричества.

КМОП схема может иметь линейные характеристики в широком диапазоне напряжений, если правильно рассчитана цепь формирования управляющего опорного потенциала. На рис. 11 показана простая схема генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением. КМОП-инвертор используется в качестве интегратора, а КМОП-триггер Шмитта, — в качестве компаратора с гистерезисом. Инвертор интегрирует положительную разницу между пороговым и входным уровнями напряжения VIN.

На выходе инвертора формируется линейно нарастающее напряжение до момента достижения положительного порога триггера Шмитта. В этот момент, выход триггера Шмитта переключается в нулевое состояние, открывая транзистор через RS и ускоряя перезарядку конденсатора CS. Гистерезис удерживает выход в состоянии нуля до момента разрядки интегрирующего конденсатора C через резистор RD. Резистор RD должен быть намного меньшего номинала, чем RC, чтобы время сброса было незначительным. Выходная частота определяется следующим выражением:

Зависимость частоты от управляющего напряжения определяется производной по входному напряжению. Следовательно:

где знак “-” указывает на то, что выходная частота возрастает когда входное управляющее напряжение уменьшается относительно порогового напряжения инвертора. Выходная частота принимает максимальное значение, когда входное напряжение равно нулю, и уменьшается с ростом входного напряжения. Генерация колебаний прекращается при достижении управляющим напряжением 0,55VDD. Выходные импульсы генератора достаточно короткие, поскольку время сброса значительно меньше времени интегрирования.

С использованием триггера Шмитта можно строить простые удлинители импульсов. Схема одновибратора или ждущего мультивибратора, предназначенного для удлинения импульсов, показана на рис. 12. Положительный импульс, переключающий инвертор, вызывает появление на его выходе короткого отрицательного импульса, разряжающего конденсатор через диод D1. Это приводит к переключению триггера Шмитта в единичное состояние. Конденсатор должен быть достаточно малой емкости, чтобы за время действия короткого импульса выходной ток инвертора мог бы его полностью разрядить.

где ΔV=VDD для КМОП инвертора и ΔT — длительность входного импульса. Для каждого входного импульса, длительностью короче 100 нс, конденсатор может быть исключен, и резистор большого номинала образует с входной емкостью КМОП-триггера Шмитта интегрирующую RC-цепочку. Далее, когда на входе инвертора устанавливается нулевой потенциал, блокирующий диод предотвращает заряд конденсатора выходным током инвертора, и заряд происходит уже через подтягивающий резистор. Когда входное напряжение триггера Шмитта достигнет верхнего порога VT+, триггер переключится в нулевое состояние спустя некоторое время после завершения входного отрицательного импульса. Таким образом, достигается увеличение длительности импульсов.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТРИГГЕРА ШМИТТА.
Триггер Шмитта, построенный с использованием дискретных элементов, схемотехнически достаточно сложное устройство. Впервые триггер Шмитта в интегральном исполнении был реализован в ТТЛ-сериях. Но относительно большие входные токи и несимметричность входных характеристик усложняют конструирование схем с использованием таких триггеров. Втекающий выходной ток уровня логического нуля значительно больше, чем вытекающий ток уровня логической единицы. Это приводит к отличию формы импульсов от меандра с коэффициентом заполнения 50%. Кроме того, узкий диапазон питающих напряжений затрудняет применение в схемах с напряжением питания отличным от 5 В, а также в схемах с двуполярным питанием.

КМОП-триггер Шмитта имеет очень высокое входное сопротивление с пороговыми напряжениями приблизительно симметричными относительно половины питающего напряжения. Допустима подача входного сигнала с амплитудой, превышающей диапазон питающего напряжения. Выходные токи уровней логического нуля и единицы практически одинаковы. Также амплитуда выходного сигнала практически равна напряжению источника питания. Такие преимущества КМОП-триггера Шмитта, как большая разница пороговых напряжений, широкий диапазон питающих напряжений, низкое энергопотребление, одинаковые характеристики изделий в пределах одной партии, делают триггер Шмитта уникальным универсальным компонентом для радиоэлектронных конструкций. Триггер Шмитта находит применение в интерфейсных схемах для согласования сигналов, восстановления уровней, подавления сигналов помех в условиях повышенного уровня шумов, детектирования уровней, благодаря наличию гистерезиса, преобразования уровней между логическими схемами различных семейств и во многих других приложениях. Применение КМОП-триггера Шмитта это еще один шаг к дизайну, ограниченному только воображением разработчика.

Источники информации

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