Лекция 2. Преобразователи статических параметров сигнала
Ниже будут рассмотрены функциональные узлы, изменяющие статические и динамические параметры дискретных сигналов без их логической обработки. Наиболее существенными статическими параметрами дискретных сигналов являются амплитуда напряжения и ток. Соответственно от преобразователей требуется либо усиление по току (мощности), либо согласование каскадов по напряжению.
Ниже приведено несколько способов организации каскадов с повышенной нагрузочной способностью.
А. Для получения значительных токов на выход логической микросхемы может быть включен транзисторный каскад, обычно с общим эмиттером. Пример – управление лампой накаливания – рис. 3.
Рис. 3
Здесь R1 служит для уменьшения вытекающего выходного тока DD1; R2 и VD1 – для надежного запирания VT1 уровнем лог.0, R3 – для преднакала лампы, т.е. для ее постоянного поддержания в нагретом состоянии (без испускания света), что втрое уменьшает ток в момент отпирания VT1. При сборке мнемосхем и табло могут быть использованы интегральные сборки транзисторов, например, К574КT1, КТС622.
Б. При напряжении на нагрузке, отличающемся от +5 В, и/или токах, превышающих допустимые для активных выходов логики, применяются логические элемент с ОК (с ОЭ – крайне редко). Примеры их использования приведены на рис. 4.
Рис. 4
Следует помнить, что светодиоды всегда включаются через токозадающие сопротивления, для ламп накаливания используются схемы с преднакалом, индуктивные нагрузки шунтируются обратным диодом.
В. Логические элементы буферного типа обеспечивают на выходе втрое большие токи, чем логические элементы с активным каскадом, их используют для управления более чем 10 входами последующих микросхем и в случаях, аналогичных приведённым на рис. 4.
Г. Можно получить коэффициент разветвления КРАЗВ>10, введя в логическую цепочку микросхему из серии с большим выходным током, например, из серии К131 вместо К155 (К=15), 1530 вместо 533 (К=360) и т.п. Однако при этом нельзя допустить перегрузки входным током такой микросхемы выхода предыдущего каскада.
Д. Для умощнения по выходу микросхем с активным или буферным каскадом допускается параллельное соединение выходов двух логических элементов, находящихся в одном корпусе. При этом их входы также должны быть соединены параллельно, а коэффициент разветвления будет составлять 1,9 коэффициента разветвления одного логического элемента.
Рис. 5
Задача преобразования уровней лог.0 и лог.1 возникает (а) при сопряжении различных серий микросхем с разным напряжением питания и (б) при управлении транзисторными каскадами и другими нагрузками c UПИТ ≠ 5 В.
A. Для сопряжения микросхем с разными напряжениями питания выпускаются специальные микросхемы – преобразователи уровня (ПУ). Поскольку уровни лог.1 и лог.0 семейства ТТЛ признаны в качестве международных стандартов, то ПУ входят в состав всех других семейств и приводят их уровни лог.1 и лог.0 к стандарту ТТЛ (или наоборот). Такие ПУ есть в составе МОП-серий К176, К561, 564, ЭСЛ-серий 100 и К500, высокопотенциальной логики серий К511, К523 и др.
Для переходов КМОП-ТТЛ рекомендуется применять ПУ даже в случае, если КМОП-схемы питаются от пятивольтового источника, поскольку ПУ обеспечивают также согласование значений входных и выходных токов и сопротивлений. Помимо специальных микросхем возможны и другие схемные решения ПУ (с помощью резистивных делителей, сдвигателей уровня на стабилитронах, диодных фиксаторов, переключателей тока и т.п.). Они приводятся в литературе, например в /5, с.80/.
Б. Для управления нагрузками с повышенным напряжением питания в серию К155 были введены микросхемы с ОК и повышенным допустимым напряжением на выходе (обычно +15 В, для ЛН3 – +30 В).
B. Для формирования логических уровней от низковольтных источников сигналов используются так называемые переключатели тока – дифференциальные транзисторные каскады в ключевом режиме /5, с. 84/. Поскольку I=const (рис. 6), то с ростом Iб1 растет Iэ1, а Iэ2=I-Iэ1 падает, VT2 запирается, U2 возрастает. В /5/ показано, что изменение UВХ на 140 мВ по сравнению с опорным напряжением Е0 приводит к переключению тока с VT1 на VT2 и наоборот. Опорное напряжение формируется обычно на стабилитроне повышенной стабильности, транзисторы выполняются в виде интегральной сборки. В упрощенной схеме вместо источника тока может быть включен резистор о R>>Rк.
Г
Рис. 6
Рис. 7. Компаратор
напряжений КР554СА3
(назначение выводов 5 и 6 –
балансировка
нуля,
стробирование)
Д. Нередко для преобразования уровней применяют оптронные схемы гальванической развязки, включающие светодиод и фоточувствительный полупроводниковый элемент (диод, транзистор, составной транзистор, тиристор). Устройства с диодами обозначаются АОД, с триодами – АОТ, с тиристорами – АОУ. Схема развязки может быть выполнена также в виде гибридной микросхемы и включать формирователь логического уровня. Для управления микросхемами серии 134 предназначена микросхема развязки 249ЛП1, для серии 133 – 249ЛП3, для серий К155, К555 и др. – микросхема К293ЛП1. Развернутое УГО этих схем приведено на рис. 8. Распиновка вне скобок относится к 249ЛП1, в скобках – к 249ЛП3. Применяя оптронные развязки, следует не забывать включать последовательно с их светодиодом токозадающий резистор. Более подробно схемные решения оптронных узлов развязки рассмотрены в /7, 8/.
Рис. 8
Другой вариант ПУ с гальванической развязкой входной и выходной цепей – трансформаторные схемы, однако, их применяют всё реже.