Układy cyfrowe
U
k
ł
a
d
y
c
y
f
r
o
w
e
Generatory CMOS
Poniższy materiał dotyczy bramek
P i e r w s z e k r o k i
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
w cyfrówce
generatorów stosujemy w projektowanych
układach. Musisz znać różne sposoby wy-
twarzania fali prostokątnej oraz impulsów.
Z obowiązku przypomnę ci prosty
część 9
c
z
ę
ś
ć
9
układ generatora zbudowany z nieparzys-
tej ilości bramek odwracających (inwerte-
r
y
s
u
n
k
u
5
4
rów)  zobaczysz go na rysunku 54. Częs- niski, więc na wyjściu bramki I pojawia się C (a tym samym w punkcie E) wzrośnie
totliwość generowanego przebiegu zale- stan niski. Powoduje to pojawienie się aż do napięcia progu przełączania bramki
ży od ilości bramek i opóz
nienia wprowa- stanu wysokiego na wyjściu generatora, I (a stanie się to w chwili t3), obie bramki
dzanego przez każdą bramkę. Ponieważ czyli w punkcie D. Tu zaczyna się cała za- znów zmienią stany na swych wyjściach.
opóz
nienia są rzędu nanosekund, częs- bawa. Do tej pory kondensator C1 był na- Częściowo naładowany kondensator
totliwości są rzędu megaherców, od kilku ładowany. Teraz zmiana stanu z niskiego C1 znów zostanie  wypchnięty w górę
do kilkudziesięciu MHz, zależnie od rodzi- na wysoki na wyjściu D  podrzuca w gó- i napięcie w punkcie C zacznie opadać.
ny bramek i napięcia zasilającego. Jest to rę ten naładowany kondensator. To zna- Cykl będzie się powtarzał.
typowy schemat książkowy  nie przypo- czy, że przez chwilę napięcie w punkcie Na uwagę zasługuje tu kilka spraw.
minam sobie, bym widział gdziekolwiek C będzie dokładnie dwa razy większe, niż Trzeba o nich pamiętać.
praktyczne wykorzystanie tego potworka. napięcie zasilania układu. Napięcie to od Po pierwsze, kondensator C1 na prze-
Dlatego nie zawracaj sobie nim głowy. razu zacznie spadać, ponieważ kondensa- mian ładuje się napięciem dodatnim
Kolejny coraz mniej używany układ ge- tor C1 będzie się rozładowywał przez re- i ujemnym. To jest jeden z powodów, że
r
y
s
u
n
k
u
5
5
neratora znajdziesz na rysunku 55. Są to zystor R1 (na razie pomijamy wpływ re- nie można tu stosować kondensatorów
trzy wersje układu, który był bardzo częs- zystora R2). Napięcie w punkcie C będzie elektrolitycznych: ani zwykłych, ani tanta-
to stosowany po pojawieniu się pierw- dążyć do potencjału masy. W pewnym lowych. Pamiętasz też na pewno, że
szych CMOSów. Ja przyzwyczaiłem się momencie (na rysunku 55d jest to chwila w układach wymagających w miarę stabil-
do niego przez kilka lat, gdy niepodzielnie t1) napięcie w punkcie C będzie równe nej częstotliwości nie stosuje się konden-
królowały na naszym rynku wyroby CE- napięciu zasilającemu  w tej chwili kon- satorów ceramicznych ferroelektrycznych.
MI. Ty znasz go może z  Klocków elek- densator będzie całkowicie rozładowany.
tronicznych . Powinieneś znać ten układ, Ponieważ w punkcie D występuje stan
a)
zapewne czasem go zastosujesz. Ale bez wysoki, a w punkcie B  niski, przez rezys-
przesady. Nie powinien to być podstawo- tor R1 będzie nadal płynął prąd i napięcie
wy układ generatora, jaki będziesz stoso- w punkcie C nadal będzie spadać  kon-
wał w swoich konstrukcjach. densator zacznie się więc ładować i wy-
W każdym razie powinieneś wiedzieć, stąpi na nim napięcie o polaryzacji prze-
b)
jak działa. ciwnej, niż w stanie spoczynku.
Bierzemy pod lupę układ z rysun- Ponieważ wejścia bramki CMOS nie
ku 55c. Na rysunku 55d pokazano pozio- pobierają prądu, więc napięcie w punkcie
my napięć w poszczególnych punktach E powinno być takie same, jak napięcie
tego układu. w punkcie C.
Gdy na wejściu sterującym A występu- W chwili oznaczonej t2 na rysunku 55d,
je stan niski, to na wyjściu bramki I na pew- napięcie w punkcie C, a tym samym c)
no występuje stan wysoki, bo przecież jest w punkcie E, przekroczy próg przełączania
to bramka NAND. Na wyjściu drugiej bram- bramki I. Tym samym na wyjściu bramki
ki występuje stan niski. Ponieważ na wy- I napięcie zacznie rosnąć, a na wyjściu
jściu bramki I występuje stan wysoki, taki bramki II  opadać. Rosnące napięcie
sam stan występuje na drugim wejściu tej w punkcie D przyspieszy ten proces 
bramki. Przez rezystory R1 i R2 oczywiście można powiedzieć o istnieniu dodatniego
nie płynie prąd, a kondensator C1 jest nała- sprzężenia zwrotnego przez kondensator
d)
dowany. Generator nie pracuje. C1. W każdym razie w czasie od t1 do t2,
W chwili zmiany na wejściu A stanu kondensator C1 zdąży się naładować, ale
z niskiego na wysoki generator zaczyna nie do pełnego napięcia zasilającego, tylko
pracować. Ponieważ w punkcie E był stan 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-
Rys. 54.
Rys. 55.
wnym kierunku. Gdy napięcie w punkcie
18 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/97
Układy cyfrowe
U
k
ł
a
d
y
c
y
f
r
o
w
e
Po drugie, należy pamiętać, że pierw- CMOS. Znaczna część z nich nigdy nie jest
a)
szy wytworzony impuls jest dłuższy niż stosowana przez prawdziwych konstrukto-
następne  to zresztą jest cechą spotyka- rów. Mało tego, niektórzy autorzy  przemy-
ną w wielu innych układach generatorów cają w swoich konstrukcjach sporo niepo-
wyzwalanych. trzebnych lub niezdrowych  chwytów .
Po trzecie  zbocza generowanego Przykładowo niektórzy twierdzą, że
przebiegu w punkcie B nie są zbyt ostre, w pewnych przypadkach generator z ry-
b)
zwłaszcza przy małych częstotliwościach sunku 55 mógłby się nie wzbudzić i dlate-
pracy. Dlatego w niektórych przypad- go trzeba zastosować dodatkowy  obwód
r
y
s
u
n
k
u
5
6
kach, gdy wymagane są ostre zbocza, nie rozruchowy według rysunku 56. Jest to
zaleca się wykorzystywać przebiegu naprawdę niepotrzebne, dlatego przekreś-
z punktu B, tylko dołączyć jeszcze jedną liłem ten rysunek na czerwono. Teoretycz-
bramkę (inwerter) do punktu D. nie rzeczywiście, układ mógłby nie wystar-
c)
Wreszcie po czwarte trzeba odpowie- tować. Ale taka sytuacja byłaby możliwa
dzieć na pytanie, po co w układzie jest re- tylko wtedy, jeśli bramki miałyby zdecydo-
zystor R2. Bez niego generator też będzie wanie różne progi przełączania. W prakty-
pracował  w literaturze spotyka się zresz- ce zawsze są to bramki z tej samej kostki,
Rys. 57.
tą czasem układ takiego generatora, gdzie mają podobne napięcia progowe i proble-
R2 jest zwarty. Otóż rezystor R2 w zasa- mu naprawdę nie ma!
r
y
s
u
n
k
u
5
7
a
b
dzie nie jest konieczny. Ale przy omawia- Teraz drugi błąd. Na rysunku 57a i b znaj- Chyba cię już przekonałem w poprzed-
niu budowy wewnętrznej bramek CMOS dziesz kolejne układy generatorów bram- nich odcinkach, że układy opóz
nienia,
okazało się, że między wszystkimi we- kowanych. Rzeczywiście, można sterować skracania i wydłużania prościej wykonasz
jściami a obiema szynami zasilającymi pracą generatora wykorzystując układy z użyciem inwerterów lub bramek  ze
umieszczone są tam diody zabezpieczają- z rysunku 57. Niektórzy tak robią. szmitem . Teraz chcę cię przekonać, że
ce (porównaj EdW 5/97 str. 66 rysunku 31 Masz bojowe zadanie! Wytłumacz, również generator wykonasz znacznie
i 32). Przy podaniu na wejścia napięć wy- dlaczego przekreśliłem ten schemat? prościej używając bramki Schmitta.
kraczających poza zakres napięcia zasilają- Pomyśl uważnie! Zachęcam cię, żeby podstawowym ukła-
cego, w obwodach wejść pojawi się prąd, Podstawową zaletą układów CMOS dem generatora przebiegu prostokątnego stał
płynący przez struktury reprezentowane jest zerowy pobór prądu w spoczynku. się układ z inwerterem 40106 lub 74HC14.
r
y
s
u
n
k
u
5
9
przez te diody zabezpieczające. Gdy prąd A jak zachowa się bramka II z rysunku 57a, Schemat znajdziesz na rysunku 59.
ten będzie większy niż 20...30mA, może gdy na wejście zezwalające będzie podany Jak działa taki układ?
wystąpić zjawisko zatrzaśnięcia (latch up) stan niski? Oczywiście na jej wyjściu bę- Jeśli potrzebne są ci generatory bram-
i obie szyny zasilania zostaną zwarte ze dzie wymuszany stan wysoki i generator kowane, wykorzystaj jeden ze schema-
r
y
s
u
n
k
u
6
0
sobą przez pasożytnicze struktury tyrysto- nie będzie pracował. Ale co z bramką U1A? tów z rysunku 60.
rowe obecne w kostce CMOS. Rezystor Połączenie wejścia z wyjściem przez Mając jedną kostkę 40106 możesz wy-
R2 stosuje się właśnie po to by wykluczyć rezystor jest równoznaczne z zamknię- konać sześć niezależnych generatorów.
taką przykrą ewentualność. Ze względu ciem pętli ujemnego sprzężenia zwrotne- Jeśli potrzebujesz je uzależnić (bramko-
na niewielką wydajność prądową wyjść go. Przeanalizuj to i przekonaj się, że na wać) dołącz diody. Co prawda w tym przy-
kostek CMOS 4000, przy napięciach zasi- wejściu i wyjściu tej bramki będzie takie padku wzrośnie pobór prądu, bo przez re-
lania nie większych niż 7V, rezystora R2 same napięcie, równe napięciu progowe- zystory i diody będzie płynął prąd. Ale przy
można nie stosować (zastąpić go zworą). mu bramki, zbliżone do połowy napięcia rezystancjach 100k&!...2,2M&! (takie mo-
A teraz zadanie domowe. zasilającego. Zajrzyj teraz rysunku 29 na żesz śmiało stosować) prąd ten będzie
Przeanalizuj samodzielnie, jakie będą stronie 65 w EdW 5/97 i zobacz, czy rzędu mikroamperów. Zauważ, że diodę
napięcia na wyjściach bramek OR w ukła- bramka w takim stanie nie pobiera prą- możesz włączyć w dowolnym kierunku.
dzie z rysunku 55b w stanie spoczynku, du? Ależ oczywiście, pobiera! Jeśli układ w spoczynku ma zupełnie nie
czyli przy podaniu na wejście sterujące Czyli tak zablokowany generator bę- pobierać prądu, wykorzystaj bramki NAND
stanu wysokiego. dzie pobierał prąd  i to znaczny, jak na  ze szmitem (4093 lub 74HC132). Przy
W tym miejscy chciałbym ci coś wyjaśnić. układy CMOS. wykorzystaniu bramek NAND w generato-
W literaturze amatorskiej spotyka się kilka in- Widzisz, przez taki drobny błąd niepo- rze bramkowanym, występuje pewna nie-
nych schematów generatorów z bramkami trzebnie zwiększyliśmy pobór prądu. Jeś- wielka niedogodność. Mianowicie genera-
li już rzeczywiście musisz zastosować tor taki jest zablokowany przy podaniu na
a)
sterowanie w obwodzie bramki II, ko- wejście bramkujące stanu niskiego. Tym-
niecznie zastosuj układ z rysunku 57c. Za- czasem w stanie spoczynku, na wyjściu wy-
pamiętaj ten sposób, a wcześniej przea- stępuje stan wysoki. Przy bramkowaniu ko-
nalizuj, czym będą się różnić spoczynko- lejnego generatora poprzednim, często trze-
we poziomy na wyjściach generatorów ba włączyć bramkę pośrednią, odwracającą
z rysunków 55c i 57c? sygnał . Pomimo tej niedogodności układ
r
y
s
u
n
k
u
5
8
Na rysunku 58 znajdziesz kolejny z bramkami 4093 (74HC132) jest godny po-
b)
 książkowy układ, którego nikt nigdzie lecenia, bowiem pozwala przy użyciu jednej
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-
Rys. 56. Rys. 58.
ty jeden jedyny układ z użyciem tej kostki.
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/97 19
Układy cyfrowe
U
k
ł
a
d
y
c
y
f
r
o
w
e
w przedstawianych wcześniej układach,
a) a)
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
b)
b)
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.
c)
Dlatego jeśli chcesz dokładnie ustalić
częstotliwość, powinieneś zastosować
potencjometr i wyregulować układ przy
pomocy częstościomierza.
A do sprawy stabilności częstotliwoś-
Rys. 60.
c)
ci w funkcji napięcia zasilającego i tempe-
ratury, jeszcze w przyszłości powrócimy.
kostki zrealizować przynajmniej dwa bram- A jeśli masz dostęp do częstościomie-
kowane generatory, a dodatkowo pozosta- rza, to już teraz zachęcam cię, żebyś spraw-
nie wolna bramka do dowolnego wykorzys- dził praktycznie, na ile zmienia się częstotli-
tania. Od tej niedogodności wolne są układy wość pracy przy zmianach napięcia zasila-
wykorzystujące inwertery Schmitta i diody. nia w granicach ą20% i zmianach tempera-
Diody można włączać w dowolnym tury w zakresie +10...+30 C. Do tego ostat-
kierunku i tym samym wykonać układ gen- niego wykorzystaj termometr, lodówkę
eratora bramkowanego stanem wysokim i suszarkę do włosów. Zastosuj kondensa-
albo niskim. tory foliowe, a przekonasz się, że stałość
Nie muszę ci chyba tłumaczyć, że częstotliwości jest zupełnie dobra, i jedynie
częstotliwość drgań wszystkich przed- w rzadkich przypadkach trzeba stosować
stawionych generatorów jest wyznaczo- bardziej stabilne z
ródła przebiegów.
na przez stałą czasową R1C1. Zauważ W następnym odcinku zajmiemy się
jednak, że ciągle piszę  wyznaczona , innymi układami generatorów.
Rys. 59.
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
a nie  równa . Ani czas opóz
nienia Piotr Górecki