U

Uk

kłła

ad

dy

y c

cy

yffr

ro

ow

we

e

E

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/97

18

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

ys

su

un

nk

ku

u 5

54

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

ys

su

un

nk

ku

u 5

55

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

w

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

a)

d)

b)

c)

Rys. 55.

Rys. 54.

U

Uk

kłła

ad

dy

y c

cy

yffr

ro

ow

we

e

19

E

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

ys

su

un

nk

ku

u 5

56

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

ys

su

un

nk

ku

u 5

57

7a

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

ys

su

un

nk

ku

u 5

58

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

ys

su

un

nk

ku

u 5

59

9.

Jak działa taki układ?

Jeśli potrzebne są ci generatory bram−

kowane, wykorzystaj jeden ze schema−
tów z rry

ys

su

un

nk

ku

u 6

60

0.

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

b)

c)

b)

a)

a)

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.

P

Piio

ottrr G

Gó

órre

ec

ck

kii

U

Uk

kłła

ad

dy

y c

cy

yffr

ro

ow

we

e

a)

b)

c)

Rys. 59.

Rys. 60.

c)

b)

a)