Transcript Διάλεξη 09 - Εργαστήριο

Κυκλώματα Χρονισμού
Διάλεξη 9
Δομή της διάλεξης
 Schmitt Trigger
 Πολυδονητές
 Ο Χρονιστής 555
 Ταλαντωτής δακτυλίου
 Ασκήσεις
2
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Κυκλώματα Χρονισμού
Schmitt Trigger
3
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Schmitt Trigger
 Αναγεννητικό κύκλωμα
 Χαρακτηριστική μεταφοράς τάσης με υστέρηση
 Διαφορετικά κατώφλια εισόδου για σήματα τάσης
μεταβαλλόμενα προς τα θετικά και προς τα αρνητικά
 Επαναφέρει τις ακμές των σημάτων εισόδου
 Χρήσιμο σε περιπτώσεις που το σήμα έχει διέλεθει από μακριά
γραμμή και έχει ταλαντώσεις
4
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Χαρακτηριστική Μεταφοράς Τάσης και Σύμβολο
V OH
Vou t
In
Out
V OL
VM–
VM+
Vi n
5
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Καταστολή Θορύβου
6
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Υλοποίηση με BJTs
7
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Υλοποίηση με CMOS (1)
8
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Υλοποίηση με CMOS (2)
VDD
M2
Vin
M4
Vout
X
M1
M3
Μετακινεί το κατώφλι του
πρώτου αντιστροφέα
9
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Κυκλώματα Χρονισμού
Πολυδονητές
10
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Πολυδονητές
 Αναγεννητικά κυκλώματα
 3 τύποι:
 Διπλοσταθερό κύκλωμα:
δύο σταθερές καταστάσεις, αλλάζει κατάσταση με σκανδαλισμό και μένει σε
αυτή σταθερά, εφαρμογή: latches και Flip-Flops
 Μονοσταθές κύκλωμα:
μία σταθερή κατάσταση και μία ημισταθή συγκεκριμένης χρονικής διάρκειας
(προσδιορίζεται από τις παραμέτρους του κυκλώματος) στην οποία
εισέρχεται με σκανδαλισμό και μετά επιστρέφει στην σταθερή κατάσταση,
εφαρμογή: one shot timer
 Ασταθές κύκλωμα:
δεν έχει σταθερές καταστάσεις, ταλαντώνεται μεταξύ δύο ημισταθών
καταστάσεων, η διάρκεια κάθε μίας προσδιορίζεται από τις παραμέτρους του
κυκλώματος, εφαρμογή: oscillator
11
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Μονοσταθής Πολυδονητής
 Λειτουργία (κανονικοποιητής παλμών):
12
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Μονοσταθής Πολυδονητής
 Αρχή λειτουργίας:
13
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Μονοσταθής Πολυδονητής
 Κύκλωμα με χρήση CMOS NOR πυλών:
Η πηγή υI παρέχει θετικούς παλμούς σκανδαλισμού
14
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Μονοσταθής Πολυδονητής
(a) Δίοδοι σε κάθε είσοδο μιας CMOS πύλης δύο εισόδων (b) Ισοδύναμο κύκλωμα διόδων όταν οι δύο
είσοδοι είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους
Οι δίοδοι έχουν ρόλο να προστατεύουν τις πύλες των συσκευών από πιθανές καταστρεπτικές
υπερτάσεις λόγω συσσώρευσης στατικού ηλεκτρικού φορτίου
15
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Μονοσταθής Πολυδονητής
Προσεγγιστικό ισοδύναμο κύκλωμα εξόδου CMOS πύλης όταν η έξοδος είναι
(a) low – η πύλη τραβάει ρεύμα και (b) high – η πύλη παρέχει ρεύμα.
16
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Μονοσταθής Πολυδονητής
Ισοδύναμο κύκλωμα κατά την εκφόρτιση της C
στο τέλος του κανονικοποιημένου χρόνου T
17
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Μονοσταθής Πολυδονητής
Οι κυματομορφές στους διάφορους κόμβους του κυκλώματος
18
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Ασταθής Πολυδονητής
 Κύκλωμα με χρήση CMOS NOR πυλών:
19
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Ασταθής Πολυδονητής
 Οι κυματομορφές του κυκλώματος
 Οι δίοδοι στην είσοδο έχουν θεωρηθεί
ιδανικές και επομένως περιορίζουν την
τάση υI1 μεταξύ 0 και VDD
20
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Κυκλώματα Χρονισμού
Ο Χρονιστής 555
21
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Χρονιστής 555
 Μπλοκ διάγραμμα που
αναπαριστά το εσωτερικό
κύκλωμα του χρονιστή 555
22
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Χρονιστής 555 - Μονοσταθής
(a) Οι συνδέσεις του χρονιστή 555 για χρήση ως μονοσταθούς πολυδονητή, (b) οι κυματομορφές του κυκλώματος
23
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Χρονιστής 555 - Ασταθής
(a) Οι συνδέσεις του χρονιστή 555 για χρήση ως ασταθούς πολυδονητή, (b) οι κυματομορφές του κυκλώματος
24
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Κυκλώματα Χρονισμού
Ταλαντωτής δακτυλίου
25
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Ταλαντωτής δακτυλίου
 Ταλαντωτής δακτυλίου (Ring Oscillator)
 Σχηματίζεται με την δακτυλιοειδή σύνδεση περιττού αριθμού αντιστροφέων (η
έξοδος του ενός οδηγεί την είσοδο του επόμενου)
 Χρήσιμο και για τη μέτρηση του μέσου χρόνου καθυστέρησης μετάδοσης μιας
λογικής πύλης
26
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Ταλαντωτής δακτυλίου
 Λειτουργία του ταλαντωτή
 Συχνότητα ταλάντωσης:
f 
1
2NtP
όπου Ν είναι ο αριθμός
των αντιστροφέων
27
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Κυκλώματα Χρονισμού
Ασκήσεις
28
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 1 – Εκφώνηση (προς λύση)
Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα εναλλακτικό κύκλωμα για τον CMOS
πολυδονητή.
 (α) Σχεδιάστε τις κυματομορφές τάσης στα V1, V2, Vx με ένα κατάλληλο
σύστημα σκανδαλισμού.
 (β) Αναπτύξτε μία απλή εξίσωση για το εύρος του παλμού εξόδου στην V1.

29
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 2 – Εκφώνηση (προς λύση)
Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα NMOS Schmitt trigger κύκλωμα.
 Υποθέστε ότι VTD=-2V, VTE=+1V, k’=20μA/V2, και γ=λ=0.
 Να σχεδιάσετε την VTC με εκτιμήσεις για τις VT+ και VT- .

30
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 3 – Εκφώνηση
 Βρείτε μία έκφραση για την συχνότητα ταλάντωσης Fo του
ασταθούς πολυδονητή του παρακάτω σχήματος υπό την συνθήκη
VTH=VDD/2.
 Βρείτε τις κατάλληλες τιμές R1 και C ώστε Fo=100K.
U1 A
U1 B
Ui1 1
5
3
Uo 1
2
4
6
4 00 1
R1
1 0K
4 00 1
Uo 2
C1
4 90 pF
31
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 3 – Λύση

Η τάση στην είσοδο της πύλης U1A μεταβάλλεται λόγω της φόρτισης του πυκνωτή C1.
Ο πυκνωτής C1 φορτίζεται από την τάση –Vd (τάση αγωγής της διόδου προστασίας
της εισόδου της πύλης CMOS) προς την τάση τροφοδοσίας. Η φόρτιση σταματά όταν
η τάση Uo1 φτάσει την τάση VTH της πύλης. Λόγω της συμμετρίας της VTH τα ίδια
ισχύουν και για την εκφόρτιση του πυκνωτή. Η τιμή της ημιπεριόδου είναι:

VDD
R1 
 
T  (R1  Ron)C1 ln

 VDD  VTH  Vd R1  Ron 


VDD
  R1 C1 1,02 
T  R1 C1 ln
 VDD  VTH  Vd 
1
R1 C1 
 4,9u sec
2,04  Fo

Επιλέγουμε ως R1 μια μεγάλη αντίσταση έτσι ώστε το λάθος που εισάγεται λόγω της
απαλοιφής της Ron να μην είναι σημαντικό (R1=10K). Συνεπώς ο πυκνωτής C1=490pF.
32
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 4 – Εκφώνηση

Χρησιμοποιώντας το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος, σχεδιάστε ένα
μονοσταθές κύκλωμα λογικής CMOS στο οποίο Ron=100Ω, VDD=5V και
VTH=0.4VDD. Χρησιμοποιείστε C=1μF για να δημιουργήσετε παλμό διάρκειας
1 sec. Ποιά είναι η τιμή της R που πρέπει να χρησιμοποιηθεί;
VDD
R1
10K
U1A
Ui1
U1B
1
Uo1
Ui2
2
V2
VPWL
5
C1
3
4
Uo2
6
1nF
4001
4001
33
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 4 – Λύση
Η σταθερά χρόνου φόρτισης του πυκνωτή C εξαρτάται από την αντίσταση R1
και την εσωτερική αντίσταση εξόδου της πύλης U1A. Η αρχική τάση Ui2
δίνεται από το διαιρέτη τάσης λόγω των Ron και R1. Ο πυκνωτής φορτίζεται
προς την τάση VDD αλλά όταν η τάση φθάσει την τιμή VTH η πύλη U1B
πηγαίνει στο “0” παρασύροντας την U1A στο “1”
 Θεωρούμε ότι η R1 είναι πολύ μεγαλύτερη από την Ron και έτσι ο χρόνος
φόρτισης του πυκνωτή μέχρι την τάση VTH θα είναι:

 R1
VDD
T  1sec  C  R1  Ron  ln

 R1  Ron VDD  VTH
R1  910K

5
  1u  R1 ln  
 3

34
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 5 – Εκφώνηση
 Ένας απλός NMOS μονοσταθής πολυδονητής φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Υποθέστε
ότι VTD=-2V, VTE=+1V, k’=20μA/V2, και γ=λ=0.
 (α) Σχεδιάστε τις κυματομορφές τάσης στις VDS2, VGS4 και VDS4 με ένα κατάλληλο σήμα
σκανδαλισμού.
 (β) Υπολογίστε την τιμή του Cx για ένα εύρος παλμού εξόδου 10μsec.
35
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 5 – Λύση
 Τα Μ1, Μ2, Μ3 αποτελούν μία πύλη NOR. Τα Μ4, Μ5
αποτελούν μία πύλη NOT. To M6 συμπεριφέρεται σαν μία πηγή
ρεύματος που φορτίζει τον πυκνωτή. Αρχικά η είσοδος είναι “0”
και η έξοδος της NOR είναι “1” αφού και η έξοδος του
αναστροφέα είναι “0” εφ’ όσον έχει είσοδο “1” που προκύπτει
από το M6.
 Όταν η είσοδος Vin γίνει “1” η έξοδος της NOR και συνεπώς το
ένα (αριστερό) άκρο του πυκνωτή θα γίνει “0”, συμπαρασύροντας
την είσοδο του αναστροφέα στο “0”.
 Ο πυκνωτής τώρα θα φορτίζεται με σταθερό ρεύμα μέσα από το
Μ6. Ας σημειωθεί ότι θεωρούμε την αντίσταση Rdon του Μ2
πολύ μικρή (δείτε τους λόγους W/L των Μ2 και Μ6).
36
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 5 – Λύση
 Το Μ6 θα συμπεριφέρεται σαν πηγή ρεύματος όσο η τάση VDS>(VGS-VTE)
VDS>2V ή αλλιώς όσο η τάση στο δεξί άκρο του πυκνωτή είναι μικρότερη από
3V.
 Το ρεύμα που παρέχει το Μ6 είναι:
I DS ( M 6)  k '
10
(0  ( 2))  8
100
 Όταν η τάση στο δεξί άκρο του πυκνωτή φτάσει την τάση αγωγής του Μ4,
τότε η έξοδος του αναστροφέα γίνεται “0” και η έξοδος της NOR γίνεται “1”.
 Ο χρόνος που απαιτείται για την φόρτιση του πυκνωτή συμπίπτει με το εύρος
του παλμού εξόδου και είναι: Τ=Cx/IDS(M6). Έτσι, για να έχουμε εύρος
παλμού ίσο με 10μs θα πρέπει ο Cx=80pF.
37
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 6 – Εκφώνηση
 Οι κυματομορφές για το μονοσταθές κύκλωμα του παρακάτω σχήματος δίδονται στο
σχήμα. Έστω VDD = 10V, VTH = VDD/2, R=10K, C=1nF και Ron=200Ω. Βρείτε τις τιμές
των Τ, ΔV1 και ΔV2. Πόσο μεταβάλλεται η uO1 κατά την διάρκεια της ημιευσταθούς
κατάστασης; Ποιο είναι το μέγιστο ρεύμα που τραβά η U1A; Ποιο είναι το αντίστοιχο
ρεύμα που παρέχει;
VDD
R1
10K
U1A
Ui1
U1B
1
3
Uo1
Ui2
2
V2
VPWL
5
C1
4
Uo2
6
1nF
4001
4001
Οι κυματομορφές δείχνουν ποιοτικά (όχι
ποσοτικά) την τάση στα διάφορα σημεία
του κυκλώματος
38
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 6 – Λύση
 Η σταθερά χρόνου φόρτισης του πυκνωτή C εξαρτάται από την αντίσταση R1 και την
εσωτερική αντίσταση εξόδου της πύλης U1A. Η αρχική τάση Ui2 θα είναι
Ui 2  VDD
R1
R1  Ron
 Ο πυκνωτής φορτίζεται προς την τάση VDD αλλά όταν η τάση φθάσει την τιμή VTH η πύλη
U1B πηγαίνει στο “0” παρασύροντας την U1A στο “1”. Ο χρόνος φόρτισης του πυκνωτή
μέχρι την τάση VTH είναι:
 R
VDD
T  C  R  Ron  ln

 R  Ron VDD  VTH

  6.87u sec

 Λόγω της αλλαγής της τάσης εξόδου της πύλης U1A σε “1” θα έχουμε αντίστοιχη αλλαγή
τάσης και στο σημείο Ui2. Η αλλαγή της τάσης θα είναι:
VDD
R1
 9.8V
R1  Ron
και συνεπώς η τάση στο σημείο Ui2 θα φτάσει την τιμή 9,8V+VTH=14,8V. Από εκεί θα
εκφορτιστεί μέσω των δύο αντιστάσεων στο VDD. Στην πραγματικότητα, οι δίοδοι προστασίας
της εισόδου της πύλης U1B θα περιορίσουν την τάση στα VDD+0,7V=10,7V.
39
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Άσκηση 6 – Λύση
 Το μέγιστο ρεύμα το τραβά η πύλη την στιγμή του Trigger
Ipull (max) 
VDD
0.98ma
R1  Ron
 Το μέγιστο ρεύμα το δίνει η πύλη στο τέλος του παλμού εξόδου. Αν θεωρήσουμε την
αντίσταση αγωγής της διόδου προστασίας αμελητέα τότε έχουμε
Ipush (max) 
14,8V  10V  0.7
 20.5ma
Ron
40
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
Πανεπιστήμιο Πατρών, Πολυτεχνική Σχολή
Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών
Τομέας Ηλεκτρονικής & Υπολογιστών, Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών
Η διάλεξη έγινε στο πλαίσιο του προγράμματος EΠΕΑΕΚ II από το μεταπτυχιακό φοιτητή Παπαμιχαήλ Μιχαήλ για το
μάθημα Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα
Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου
©2008
41
Ψηφιακά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα και Συστήματα 2008 – Καθηγητής Κωνσταντίνος Ευσταθίου