Особенности структур таймеров общего применения

В полупроводниковых таймерах наибольшее распро­странение получили структуры, использованные в однотактных таймерах NE 555,  LM 322 и программируемом XR 2240. Структура таймера КР1006ВИ1, аналогичного NE 555, показана на рис. 1.3,а. Эти таймеры состоят из четырех функциональных узлов: двух компараторов напряжения на входе, RS-триггера и инвертирующего усилителя мощности на выходе [6]. Внутренний резисторный делитель задает пороговые напряжения, рав­ные 2U_n/3 для компаратора А1 и U_n/3 для компара­тора А2. Длительность генерируемых выходных импуль­сов устанавливается внешней времязадающей цепью R_tC_t. Аналогичен NE 555 по структуре и параметрам таймер XR 320, разработанный фирмой Ехаг. Этот таймер, в отличие от NE 555, может управляться не только спадом, но и фронтом импульса. Кроме того, XR 320 в дополнение к низкоомному выходу имеет инверсный выход с открытым коллектором. Существенным преи­муществом XR 320 является то, что времязадающий конденсатор С_t заряжается внутренним генератором постоянного тока, величину которого определяет внешний резистор R_t [6]. Благодаря этому напряжение на С_t увеличивается линейно, что важно для некоторых применений однотактных таймеров. Тем не менее, этот таймер используется сравнительно редко, не имеет такого схемотехнического обеспечения как NE 555 и обладает незначительными преимуществами по сравнению с последним. Наиболее удачной структурой таймера является использованная в LM322. Этот таймер, второй по массовости применения среди однотактных, существенно превосходит NE 555 по сочетанию пара­метров точности, быстродействия и потребления. LM322 часто относят к прецизионным, подразуме­вая под этим не столько его высокие точностные харак­теристики, сколько специфичность применения в аппа­ратуре. Таймер содержит источник опорного напряже­ния 3,15 В к которому подключается внешний время­задающий резистор. Применен только один компаратор быстродействие, которого можно увеличить, подключив дополнительный вывод N к источнику питания. За­пускается таймер положительным фронтом импульса. Таймер LM322 существенно отличается от NE355 конструкцией выходного каскада. Хотя использованное в схеме включение транзистора VT2 и делает более уни­версальным выход таймера, для большинства применений предпочтительнее мощный выходной каскад, как в NE355.

Наиболее распространенным в современной микроэлектронной аппаратуре среди многотактных программируемых таймеров является XR 2240, полная функ­циональная схема которого приведена на рис.1.4 [6] Таймер состоит из трех основных узлов, выделенных штрихпунктирными линиями: однотактного таймера подобного NE 555; 8-разрядного двоичного счетчика и управляющего триггера. Двоичный счетчик и управляющий триггер питаются от внутреннего источника стабилизированного напряжения 6,3 В. Внутренний резисторный делитель устанавливает на входах компараторов А1 и А2 поро­говые напряжения переключения, равные 3U_n/4 и U_n/4 соответственно. Выходами двоичного счетчика являют­ся открытые коллекторы транзисторов VT4-VT12. Триггер D10 управляет работой счетчика D2-D9 и триггера D1 в однотактном таймере, который в свою очередь управляет работой первого каскада D2 счетчи­ка.

Особенности применения и основные параметры

Однотактного таймера

Для полного и правильного использования различ­ных возможностей таймера КР1006ВИ1 необходимо знать назначение его выводов, характеристики и тре­бования к выбору параметров времязадающих эле­ментов.

Назначение выводов таймера КР1006ВИ1 (рис. 1.3,а) незначительно отличается от рассмотренного ранее для обобщенной структуры на рис. 1.2,а. Напряжение питания U_n, подаваемое на вывод 8 и измеряемое относительно вывода 1, равно 5-16,5 В. Приращение потребляемого таймером тока на 1 В из­менения напряжения питания равно 0,7 мА (рис. 1.5,а). Таймер способен отдать в нагрузку или принять из нее ток не более 200 мА, что позволяет управлять непосредственно лам­почками и даже электромагнитными реле. Выходное сопротивление около 10 Ом как для низкого, так и для высокого уровней выходного напряжения. Запуск таймера осуществляется подачей на вывод 2 напряжения менее U_n/3 (эту цепь обычно называют триггерным входом). По отношению к выходу этот вход является инверти­рующим. Зависимость минимальной длительности Т_n запускающего импульса от низкого уровня его напря­жения U показана на рис. 1.5,6. При высоком напряжении на выводе 2 состоянием выхода таймера можно управлять с помощью компаратора А1 по выводу 6, называемому обычно пороговым входом (рис. 1.3,а). Относительно изменений выходного напряжения этот вывод является неинвертирующим входом таймера. Входной ток, втекающий для компаратора А1 (вывод 6) и вытекающий для компаратора А2 (вывод 2), не превышает 0,5 мкА. Для сброса таймера, т. е. установ­ления на его выходе низкого напряжения, независимо от напряжения на выводах 2 и 6, используется вывод 4. Если напряжение на этом выводе меньше – равно 0,4 В, напря­жение на выходе равно 0,1-0,2 В. При напряжении большем 1 В цепь сброса выключена и не влияет на рабо­ту таймера. Кроме низкоомного выхода (вывод 3) таймер имеет и вспомогательный высокоомный выход (вы­вод 7), представляющий собой открытый коллектор тран­зистора VT1 (рис. 1.3,а), Этот вывод обычно использует­ся для организации обратной связи с выхода на входы (выводы 2 и 6) таймера. Допустимое изменение напряжения на выводах 2, 4, 6 и 7 лежит в пределах 0 - 16,5 В. В таймере имеется доступ через вывод 5 к входам внутренних компараторов, на которые поданы пороговые напряжения. Этот вывод от резисторного делителя позволяет дополнительно управлять работой таймера, изменяя пороговые напряжения компараторов при постоянном напряжении питания. Чтобы избежать влияния внешних помех и пульсаций напряжения питания на точность работы таймера рекомендуется шунтировать вывод 5 конденсатором емкостью около 0,01 мкФ.

В режиме прямой трансляции сигнала с входа на выход таймер может работать в диапазоне частоты до 10 МГц (рис. 1.5, д). Однако приводимое в справочных данных значение погрешности формирования временного интервала (табл. 1.1), равное 0,5%, измеряется обычно при формировании импульсов длительностью более 10 мкс. Время нарастания выходного напряжения таймера не превышает 100 нс [6].

Временные параметры этого однотактного таймера слабо зависят от изменений Uп и температуры (рис. 1.5,е) и полностью определяются схемотехникой внутренних компараторов и качеством биполярной технологии их изготовления. В таймерах, изготовленных, по КМОП-технологии (табл. П.1), отличающейся худшим согласованием параметров парных транзисторов. Зависимость характеристик от U_n и температуры значительно выше, чем у таймеров, изготовленных по би­полярной технологии.

Особенности применения таймера КР1006ВИ1 связа­ны с не идеальностью его параметров и схемотехникой узлов. Чтобы параметры времязадающей цепи R_tC_t не влияли на точность формирования временных интерва­лов, необходимо ограничить диапазон изменения сопротивления R_t и емкости С_t. Максимальное значение этого сопротивления определяется входным током компараторов, протекающим по выводам 2 и 6. Для формирования устойчивых временных интервалов достаточно выбрать максимальное сопротивление R_t из условия что его максимальное значение должно быть меньшим отношения значений напряжения питания к входному току Расчеты дают его величину в 20 МОм при U_n=10 В и Iвх=0,5 мкА. При включении таймера по схеме мультивибратора когда выводы 2 и 6 объединены, входные токи, втекающий по выводу 6 и вытекающий по выводу 2, частично взаимно компенсируются и таймер может сохранить работоспособность при несколько большем значении этого сопротивления. При включении таймера по схеме одновибратора для R_t=20МОм отдельные типы таймеров не будут вы­полнять требуемую функцию. Поэтому не рекомендуется использовать времязадающие резисторы с сопротивлением более 10 МОм.

Минимальное сопротивление R_t определяется мак­симально допустимым током, протекающим через внутренний транзистор VT1 таймера, при его насыщении. Хотя допустимый выходной ток по выводу 7 устанавливают обычно на уровне 100 мА, не рекомендуется использовать малые сопротивления R_t в сочетании с большими емкостями С_t. Объясняется это тем что при разряде конденсаторов С_t большой емкости транзистор VT1 не мгновенно переходит в режим насыщения, а через время t_a. В течении этого времени транзистор работает в активном режиме и может выйти из строя из-за чрезмерной величины рассеиваемой на нем мощности. Поэтому при формировании малых временных интервалов реко­мендуется ограничиться значением времязадающего резистора в l кОм и выбрать исходя из этого емкость С. Если же таймер применяется в схеме, где C=100 пФ, то сопротивление R_t может быть уменьшено до 150 Ом, что для аппаратуры специального назначения должно подтверждаться соответствующими техническими условиями.

Минимальная емкость времязадающего конденсато­ра C_t должна быть значительно больше изменений собственной входной емкости таймера на выходах 2, 6 и 7, в зависимости от напряжения на них. Поскольку изменение входной емкости при перезаряде C_t не превышает нескольких пикофарад, не рекомендуется при формировании точных временных интервалов использовать С_t < 100 пФ. Можно применять конденсаторы C_t сколь угодно большой емкости, если их ток утечки пренебрежимо мал. Фактически же, чем больше емкость конденсатора, тем больше его ток утечки. Для нормальной работы таймера необходимо, чтобы ток утечки C_t не превышал зарядный ток через R_t. Для формирования точных (около l %) временных интерва­лов ток утечки через C_t должен быть более, чем на два порядка меньше зарядного тока.

Выходной  инвертирующий  усилитель  таймера (рис. 1.3,а) работает в режиме АБ, вследствие чего на переходной характеристике возникает «полка» длительностью 10-20 нс при напряжении 1,5 В. Если таймер нагружен на быстродействующие ТТЛ-схемы (например, серий 130 или 533), то наличие такой «полки» недопустимо, так как она находится в их пороговой области и может вызвать ложное срабатывание логического элемента. Чтобы выровнять линию переходного процесса, необходимо выход таймера зашунтировать конденсатором емкостью около 100 пФ.