CIRCUITE ANALOGICE CU IEsIRE DIGITALĂ

Fizica

 

Conform caracteristicii statice daca V_AK > V_F curentul prin dispozitiv I_A este aproximativ proportional cu valoarea tensiunii aplicate, ceea ce înseamna ca dispozitivul poate fi înlocuit cu o rezistenta

, ca în figura 11.2, unde V_F este tensiunea reziduala.

		Fig. 11.2.

Pentru tensiuni negative V_AK < 0 curentul rezidual I_R are valori mici si rezistenta interna R_OFF va avea valori mari, obtinându-se cealalta ramura, ca în figura 11.2.

Principalele caracteristici ale diodei semiconductoare pe post de comutator sunt:

In conductie (ON) R_ON = 10 - 500 V_F = 0,2 - 0,7V pentru Si (0,65V);

In blocare (OFF) R_OFF= zeci de M I_R = 1nA - 1A

Toate elementele depind de temperatura, spre exemplu I_R se dubleaza la fiecare crestere a temperaturii cu 10 iar V_F scade cu .

Caracteristicile diodelor semiconductoare pentru acelasi tip de dioda au o imprecizie de 20% fata de valoarea de catalog, ceea ce constituie un dezavantaj la împerechere sau la înlocuire.

Tranzistorul bipolar

Tranzistorul bipolar functioneaza prin transferul de purtatori minoritari în zona bazei, purtatori provenind din zona emitorului în cazul în care tranzistorul functioneaza în regiunea activa directa. Jonctiune emitor - baza este polarizata direct iar jonctiunea colector - baza este polarizata invers.

În figura 11.3,b sunt prezentate polaritatea tensiunilor pentru functionarea tranzistorului de tipul NPN în regiunea activa directa.

Pentru a îndeplini functia de comutator tranzistorul bipolar trebuie sa se gaseasca în una din starile blocat (circulatia curentului este oprita) sau saturat când curentul se poate închide între emitor si colector. În figura 11.3,a sunt prezentate caracteristicile de iesire pentru tensiuni mici si în

11.3, b simbolul tranzistorului de tipul N 222k1017c PN.

Conform caracteristicilor statice de iesire din figura 11.3,a în regim de saturatie tranzistorul poate fi modelat prin intermediul unei rezistente (caracteristicile sunt liniare) r_CS si o sursa de tensiune V_Cesat = E_S (reziduala) de valoare mica. Schema echivalenta corespunzatore tranzistorului saturat este prezentata în figura 11.4 ramura notata ON.

	Fig. 11.4.

Tensiunea reziduala poate fi exprimata în functie de factorul de amplificare static în curent β în conexiunea emitor comun si de tensiunea termica

.

Prin intermediul factorului static de amplificare β tensiunea reziduala va depinde de regiunea de functionare a tranzistorului. Deoarece factorul de amplificare static este mai mic pentru functionarea tranzistorului în regiunea activa inversata se obtin tensiuni reziduale din domeniul pentru functionarea în regiunea activa inversata si tensiuni reziduale din domeniul pentru functionarea în regiunea activa directa.

Valoarea caderii de tensiune când tranzistorul este saturat depinde si de curentul injectat în baza

.

Tensiunea reziduala depinde direct de temperatura prin intermediul tensiunii termice.

Daca tranzistorul bipolar este blocat ramâne curentul rezidual

I_R = I_CE care se dubleaza la fiecare 10^oC. Curentul I_R depinde si de zona de functionare a tranzistorului pentru ca , iar β este diferit pentru regiunea activa directa si regiunea activa inversata.

Ordinul de marime al curentului rezidual este ~A. Rezistenta tranzistorului blocat r_off ~ M. ( în functie de RAD sau RAI).

Tranzistorul cu efect de câmp

Tranzistorul cu efect de câmp prezinta avantajul fata de tranzistorul bipolar ca îsi modifica starea prin modificarea valorii unei tensiuni (tensiunea V_GS).

În figura 11.5,a este prezentat simbolul si în 11.5,b schema echivalenta a tranzistorului cu efect de câmp.

În regim de saturatie rezistenta r_on = iar în regim de blocare rezistenta este r_off = 100 - 500 MΩ. Atât tensiunea reziduala E_R cât si curentul rezidual I_R sunt neglijabile.

11.1. Comutatoare analogice

Comutatorul electronic este un circuit care sub actiunea unei comenzi de natura electrica transfera curentul dintr-o ramura de circuit în alta.

Întrerupatorul îndeplineste functia de a permite sau de a bloca accesul unei surse (de tensiune sau curent) la bornele unei sarcini.

Se obisnuieste sa se foloseasca termenul generic de comutator si pentru întrerupator.Comutatorul de tensiune în starea deschis lasa în gol sursa, iar comutatorul de curent scurcircuiteaza bornele sursei (de curent).Orice comutator poate sa lase bornele sarcinii în gol (fig. 11.6,a si 11.6,b) În figura 11.6 sunt prezentate doua comutatoare care lasa în gol sarcina de tipul (a) serie si de tipul (b) paralel - serie.

Orice comutator poate sa puna bornele sarcinii în scurcircuit .

În figura 11.7 sunt prezentate doua comutatoare care pun bornele sarcinii în scurcircuit de tipul (a) serie - paralel si de tipul (b) paralel .

Dispozitivele electronice cu ajutorul carora se realizeaza comutarea sunt diode semiconductoare, tranzistori bipolari sau tranzistori cu efect de câmp.

Un exemplu de comutator paralel-serie cu diode este prezentat în figura 11.8.

În conditiile unei surse de comutare Vc >V_D1 + R_L I_CC, dioda D2 va fi blocata (V_AK2 0) si curentul I_CC se închide prin D1 si R_L (comutator închis).

Daca V_C 0 dioda D2 se deschide si scurcircuiteaza atât sursa de alimentare I_CC cât si sarcina R_L. Curentul prin sarcina nu se anuleaza daca sarcina este reactiv inductiva, continuând sa circule prin D1 pâna la epuizarea energiei înmagazinate în câmpul magnetic al inductivitatii sarcinii(în figura 11.8 se înlocuieste R_L cu R_L în serie cu o inductivitate ).

D₁ I₂

D₂

I_CC R_L V_L

Vc

	Fig. 11.8.

Se utilizeaza variantele serie sau paralel ale comutatoarelor numai în cazul comutatoarelor fara pretentii, având avantajul ca nu necesita decât un element de comutare în serie sau în paralel cu sarcina. Spre exemplu, comutatorul serie din figura 11.9 este realizat cu un singur tranzistor TEC cu care canal de tipul N.

Daca tensiunea de comanda Vc este mai negativa decât tensiunea de prag a tranzistorului acesta se blocheaza si izoleaza sarcina de sursa V_CC . Rezistenta în serie cu sarcina la blocarea tranzistorului are valori foarte mari r_off = 100 - 500 MΩ.

Comutatorul are dezavantajul unei rezistente în starea închis de valoare relativ mare, r_on = , ceea ce determina o cadere de tensiune mare pe comutator. Daca sarcina o rezistenta de valoare mica nu se recomanda a fi utilizat acest tip de comutator pentru ca, în starea închis caderea de tensiune pe comutator va fi mare în raport cu tensiunea care mai ajunge pe sarcina R_L.

Un comutator serie-paralel, realizat cu tranzistori bipolari este prezentat în figura 11.10.

	Fig. 11.10.

Tranzistorii T1 si T2 lucreaza alternativ în starile (T1 - saturat si T2 - blocat )- starea 1 si (T1 - blocat si T2 - saturat) - starea 2.

Tensiunea pe sarcina V_L ,când comutatorul este în starea 1, are valoarea maxima

pentru ca tensiunea de saturatie a tranzistorului T₁ are o valoare mica (pentru tranzistori bipolari tensiunea reziduala este de ).

Pentru ca T1 sa fie saturat, adica comutatorul sa fie în starea 1, este necesar ca tensiunea de comanda sa aiba o valoare suficient de mare

.

În relatia de mai sus s-a considerat curentul de baza mic si tensiunea de baza necesara saturatiei tranzistorului s-a luat la valoarea maxima (0,7 V).

Tranzistorul T2 este blocat pentru ca pe baza se aplica o tensiune pozitiva

Blocarea curentului prin sarcina se face aplicând o tensiune de comanda care sa determine blocarea tranzistorului T1 si saturarea tranzistorului T2 cu V_C < 0.

Pentru a obtine performante bune ale comutatoarelor serie sau paralel se introduc în schema comutatorului elementare suplimentare. Spre exemplu rezistenta comutatorului serie realizat cu tranzistor cu efect de câmp FET poate fi scazuta prin introducerea între sarcina si tranzistor a unui amplificator operational AO cu reactie negativa puternica ca în figura 11.11.

	Fig. 11.11.

Pentru o tensiune de comanda apropiata de potentialul masei

Vc 0 , tranzistorul T1 este în conductie si tensiunea pe sarcina are valoarea data de relatia

,

pentru ca rezistenta r_on = este rezistenta drena - sursa a tranzistorului cu efect de câmp în regim de saturatie.

Pentru tensiuni de comanda Vc negative mai mari în valoare absoluta ca tensiunea de taiere Vp a tranzistorului , acesta este blocat si tensiunea pe sarcina este V_L 0.

Calitatile comutatorului sunt determinate în principal de dispozitivele electronice din schema electronica.

Pentru aplicatii speciale s-au realizat tranzistori cu efect în câmp (la un pret de cost mare), care realizeaza valori mici ale rezistentei în conductie (spre exemplu CMX-740 de tipul TEC-J cu r_on = 2,5 fata de valorile uzuale care sunt de sute de ) si valori foarte mari ale rezistentei în blocare (r_off >10¹⁰ ).

Din punct de vedere al schemei electronice, în cazul utilizarii TEC, comutatoarele prezinta, în functie de schema utilizata, urmatoarele performante:

- cu tranzistor în paralel r_on =500, K=10⁸

- un tranzistor serie  r_on =500, K=10⁸

- un tranzistor serie-paralel  r_on =100, K=10⁹

unde K este raportul între rezistenta în blocare si rezistenta în conductie a comutatorului.

11.2. Multiplexoare si demultiplexoare analogice

Multiplexorul are mai multe intrari la care se cupleaza diferite semnale si o singura iesire. Prin intermediul unei adrese numerice, de selectie, una din intrari este cuplata la iesirea circuitului.

Demultiplexorul are o singura intrare si mai multe iesiri. Se cupleaza intrarea la una din iesiri. Intrarea care se cupleaza la iesire este specificata prin intermediul unei adrese numerice.

Circuitele integrate uzuale îndeplinesc atât functia de multiplexor cât si pe cea de demultiplexor pentru ca nu este impus sensul curentului, aceste poate circula de la pinul de intrare catre pinul iesire sau invers.

Semnalele de intrare sunt cu variatie continua într-un domeniu impus - pentru un tip de circuit este un domeniu iar pentru alt tip alt domeniu.

	Fig. 11.12.

Adresa se formeaza dintr-un numar de biti care este o functie de numarul intrarilor în cazul multiplexorului (de numarul iesirilor în cazul demultiplexorului), fiind formata dintr-un numar suficient de biti prin intermediul carora sa poata fi selectata oricare intrare . Cu

n - biti de adresa pot fi selectate linii de intrare.

Un bit reprezinta o data binara care poate lua valorile zero sau unu logic. Reprezentarea datelor binare se face prin intermediul nivelelor de tensiune. În cazul în care se utilizeaza tensiuni de alimentare a circuitului de 5 V, circuitul considera ca la intrare s-a aplicat

unu logic daca tensiunea este în domeniul ,

zero logic daca tensiunea este în domeniul ,

ca în figura 11.12.

Fiecarui bit îi este corespunde fizic o linie prin care se aplica tensiunea de intrare.

Datorita încarcarii circuitelor tensiunea de la iesirile logice ale acestora poate scadea. Daca tensiunea furnizata pe o iesire logica se afla în domeniul numit domeniu de incertitudine respectiva tensiune va fi interpretata aleator drept unu logic sau drept zero logic, situatie nerecomandata, care conduce la rezultate imprevizibile.

Producatorul circuitelor integrate garanteaza, în conditii normale de exploatare, valorile

V_0Lmax - valoarea maxima a tensiunii pe o iesire când iesirea se afla în starea zero logic - spre exemplu în cazul circuitelor integrate de tipul C-MOS aceasta valoare este 5% V_DD (5% din valoarea tensiunii de alimentare a circuitului integrat);

V_0Hmin - valoarea minima a tensiunii pe o iesire când iesirea se afla în starea unu logic - spre exemplu în cazul circuitelor integrate de tipul C-MOS aceasta valoare este 95% V_DD .

Poarta de transmisie este elementul de baza al oricarui multiplexor sau demultiplexor, îndeplinind functia de a transfera semnalul de la intrarea IN a circuitului la iesirea OUT a acestuia, cât timp este activ semnalul logic de comanda, notat cu A în figura 11.13.

	Fig. 11.13.

Poarta de transmisie este un comutator care conecteaza borna IN la borna OUT cât timp semnalul de comanda A este în starea unu logic si întrerupe legatura în timpul când semnalul de comanda A este în starea zero logic. De notat ca rezistenta în conductie a comutatorului este mica (nu este zero) si rezistenta în blocare este mare dar nu infinita (cum ar fi pentru un comutator ideal).

Multiplexorul cu 16 intrari I₁,...,I₁₆ ,din figura 11.14, are 4 linii de adresa A₁,..., A₄ iar iesirea este notata cu OUT. Punctul comun intrarilor si iesirii este notat cu "C". Se remarca sursa de alimentare a circuitului V_DD cu punctul de masa V_SS .

Adresa este formata din mai multe linii la fiecare linie fiindu-i asociaza o pondere, prin care se introduc valori de tensiune semnificând semnale numerice.

Se întelege prin semnal numeric, un semnal care poate fi interpretat de circuit ca 0 - logic sau 1 - logic. Circuitul poate avea o borna de autorizare, notata cu EN în figura 11.12, care în prezenta semnalului 0 - logic blocheaza iesirea în sensul ca nu se cupleaza nici o intrare la iesirea circuitului.

Uneori semnalul este denumit INH (inhibit) fiind activ pentru 1 - logic (pentru aceasta valoare circuitul este blocat).

		Fig. 11.14.

Multiplexorul / demultiplexorul diferential este un circuit pentru care semnalele de intrare nu au un singur punct COMMON. Fiecare semnal de intrare are la dispozitie 2 pini V_in+, V_in- care se vor cupla la iesirea diferentiata V_out+, V_out- .

Principalele caracteristici electrice ale circuitelor multiplexor / demultiplexor sunt:

V_Ddmin, V_Ddmax - tensiune minima si tensiunea maxima de alimentare a circuitului;

I_Dmax - curentul maxim absorbit de la sursa de alimentare;

P_dmax . puterea maxima ce poate fi disipata de capsula;

R_on - rezistenta între un pin de intrare si pinul de iesire când intrarea este selectata;

R_off - rezistenta între un pin de intrare si pinul de iesire când intrarea este nu este selectata;

C_in - capacitatea de intrare, dintre o intrare si punctul comun;

I_pin - curentul absorbit de o intrare când nu este selectata - aceasta marime înlocuieste uneori rezistenta R_off;

I_imax - valoarea maxima a curentului ce poate fi suportat de o intrare selectata;

T_pin, T_pout - timpul de propagare, este de fapt timpul în care o intrare este comutata la iesire si respectiv este întrerupta legatura cu iesirea;

T_INH, T_EN - timpul în care se blocheaza circuitul dupa ce primeste o comanda de INHIBIT respectiv o comanda de ENABLE;

F_max - frecventa maxima de comutare a intrarilor;

V_imin, V_imax - domeniul tensiunilor ce pot fi aplicate la intrare;

V_Lmax - valoarea maxima a tensiunii aplicata pe un pin de adresa ce mai este interpretata înca drept zero logic ;

V_Hmin - valoarea minima a tensiunii aplicata pe un pin de adresa ce mai este interpretata înca drept unu logic .

Circuitul integrat MMC 4051

Circuitul integrat MMC 4051 este un multiplexor /demultiplexor analogic cu 8 canale de intrare si o iesire.

	INH C B A OUT x x x NC

Selectia canalului se face cu 3 linii de adresare notate A,B,C (cel mai semnificativ bit este C). Contine o linie de inhibare INH care nu permite transferul de la intrare la iesire daca se afla în starea H (este conectata la unu logic).

În tabela de mai jos sunt prezentate canalele care se cupleaza la iesirea OUT în functie de starea adresei si de starea intrarii INH. Când pe intrarea INHIBIT este prezent 1-logic toate canalele sunt blocate.

Ultimul rând semnifica faptul ca indiferent de adresa nici un canal nu este conectat NC la iesire.

Principalii parametri de functionare ai circuitului MMC 4051 sunt:

a) R_ON - 125 Ω la peste 15 V pentru V_DD - V_EE = 15 V

b) R_OFF = , I_m = 100pA = 0.1mA

c) C_int = 30pF

d) Valori maxime: V_DD : (0.5 20V), V_i - tensiunea intrare (0.5 V_DD+0.5)V,

I_i - curent intrare 0 10mA, P_tot - puterea totala disipata 200mW

e) Tensiunile recomandate V_DD : (3 18)V, V_i : (0 V_DD)V

f) Pentru nivelele logice L => 1.5V, H =>5V

g) Timpul de propagare  < 30ns

h) Frecventa maxima de raspuns > 30 MHz

i) Timpul de propagare pe OUT a canalelor On/Off - 360 - 720 ns

j) Timpul de propagare pe INH - 360 - 720 ns

Circuitul integrat MMC 4097

Circuitul integrat MMC 4097 - este un multiplexor /demultiplexor analogic cu 8 canale diferentiale de intrare. Fiecare canal de intrare are doua borne de acces notate IN+ si IN- care vor fi cuplate, daca comanda C este activa, respectiv la iesirile OUT+, OUT-.

Schema functionala a circuitului este prezentata în figura 11.15.

		Fig. 11.15.

Circuitul integrat MMC 4066

Circuitul integrat MMC 4066 este un multiplexor / demultiplexor pentru 2 canale diferentiale. De notat ca si iesirea este diferentiala, ceea ce înseamna ca, la o adresare se cupleaza la cei doi pini de iesire semnalul de la intrare si borna de referinta corespunzatoare semnalului de intrare. Contine 4 porti de transmisie pe capsula, adica 4 comutatoare care pot fi comandate separat în starea ON sau OFF.

Transmiterea semnalelor se face în oricare din sensurile IN/AUT sau AUT/IN

Caracteristici electrice:

r_ON W

r_OFF =

V_DD = (0.5 20)V ;

P_tot = 200 mW;

I_i = 10mA;

V_i = (0 V_DD)

11.3. Comparatoare electronice

Comparatoarele electronice sunt circuite electronice care primesc la intrare un semnal analogic si în functie de valoarea acestuia comuta iesirea într-o stare numerica bine precizata.

Starea iesirii poate fi la un nivel V_0L mic de tensiune, stare numita "0" logic si notata uneori cu "L" (Low) sau poate fi la un nivel V_0H mare de tensiune, stare numita "1" logic si notata uneori cu "H" (High).

Tensiunea de prag V_P este acea tensiune de intrare care separa cele 2 nivele ale tensiunii în iesire.

Spre exemplu, în figura 11.16, sunt prezentate formele de unda la intrarea unui comparator la care iesirea este definita astfel

V_i - V_P < 0 => V₀ = V_{OL ,}

V_i - V_P > 0 => V₀ = V_OH. 

Pentru (V_i < V_P) iesirea este în starea L iar pentru (V_i >V_P) iesirea este în starea H.

Uneori comparatorul poate lucra conform logicii inversate fata de situatia din figura 11.16 (V_i > V_P V_OL , V_i < V_P V_OH).

	Fig. 11.16.

Observatie : De fapt circuitele de comparatie integrate au doua iesiri, una notata Q care stabileste V_OH pentru V_i > V_P si alta notata care stabileste V_OH pentru V_i < V_P.

Comparatoarele fara reactie au o caracteristica de transfer cu tranzitia iesirii exact la valoarea V_P, ca în figura 11.17.

	Fig. 11.17.

Comparatoarele cu reactie pozitiva determina o caracteristica de transfer cu histerezis, în sensul ca tranzitia LH are loc la o tensiune V_pm diferita de tensiunea V_pM la care are loc tranzitia H L , ca în figura 11.18.

	Fig. 11.18.

Astfel spus starea H se mentine si pentru tensiuni de intrare mai mici decât tensiunea la care s-a stabilit. Starea H a iesirii s-a stabilit la V_pM si se mentine, la scaderea tensiunii de intrare, pâna se creeaza conditii de basculare inversa ( pâna când V_i = V_pm) Starea L se mentine, la cresterea tensiunii de intrare , în tot intervalul V_pm , V_pM.

Comparatoarele sunt realizate cu amplificatoare operationale (AO) sau amplificatoare Norton (AN).

Comparatorul fara histerezis obtinut dintr-un amplificator operational la care la una din intrari s-a conectat tensiunea de referinta V_REF iar la cealalta intrare s-a conectat tensiunea variabila V_i, este prezentat în figura 11.19.

Tranzitia iesirii are loc atunci când = V_i - V_REF 0 , ceea ce înseamna ca tensiunea de prag este tensiunea de referinta (V_P = V_REF).

Tranzitia iesirii de la V_OL la V_OH are loc intr-un timp finit, fiind egala cu viteza de variatie a tensiunii de intrare V_i, dar la viteze mari de variatie a tensiunii de intrare viteza de comutare a iesirii va fi limitata de timpul de comutare a elementelor fizice din constructia AO. Spre exemplu amplificatorul BA741 limiteaza viteza maxima de crestere a tensiunii la 0,5 V/s .

În figura 11.20 este prezentata caracteristica de transfer a circuitului din figura 11.19.

Pentru ca tranzitia din starea V_OL în V_OH (si invers) sa se faca cu viteza maxima pe care o permite AO, se introduce o reactie pozitiva care sa determine un proces de comutare în avalansa.

Comparatorul cu reactie realizat cu un AO, este prezentat în figura 11.21,a iar caracteristica de transfer este prezentata în figura 11.21,b.

Deoarece tensiunea de iesire ia valorile V_OL si V_OH => prin intermediul divizorului de tensiune format din R₁ si R_R la intrarea AO se transmite tensiunea V_P care are 2 valori

, .

		Fig. 11.21a

	Fig. 11.21b

Spre exemplu daca R₁ = R_R si tensiunea de alimentare a AO este

V= 15V atunci

V_OL=- V=-15 V ; V_OH= +V= +15 V; V_pm = -7,5V; V_pM =+7,5V.

Ciclul de histerezis poate fi deplasat pe axa tensiunilor de intrare prin conectarea rezistentei R₁ la o sursa de referinta V_REF. Pentru R₁ = R_R avem relatiile

V_p = ,

V_pm = ,

V_pM = .

Tensiunile de prag sunt simetrice fata de V_REF.

Spre exemplu pentru V_REF = +V =>V_pm = 0, V_pM = +V (dar tensiunea la iesire ramâne V_OL=-V, V_OH=+V).

Pentru a stabilii precis valorile tensiunilor de iesire V_OL,V_OH si pentru a avea tensiuni de prag nesimetrice se folosesc doua amplificatoare operationale, ca în figura 11.22.

Iesirile celor doua AO sunt intrari de comanda pentru bistabilul de tip RS din figura 11.22. Iesirea V₀ a bistabilului este în starea H numai daca ambele intrari sunt în starea H, altfel spus numai daca ambele conditii ale AO sunt îndeplinite.

Comparatorul cu circuit integrat este realizat asa încât sa raspunda urmatoarelor cerinte:

timpi de comutare mici ;

nivele de tensiune de iesire compatibile cu circuitele logice ;

iesirea sa fie "open -colector" , pentru a putea realiza functia sI cablat, adica iesirile a doua circuite sa poata fi conectate fara elemente aditionale;

sa permita inhibarea iesirii circuitului printr-un sistem de inhibare sau sa existe un pin de autorizare a functionarii .

Circuitele electronice uzuale sunt CLB 2711, BM339,BM39, ROB31, ROB760. Sunt caracterizate prin urmatoarele valori ale parametrilor:

timpul de raspuns este cuprins între 200-18 ns;

tensiunea de decalaj de 1, ., 2mV , reprezentata de diferenta tensiunilor de intrare V_i - V_REF care asigura nivelul de prag;

curentul necesar polarizarii intrarilor I_i = 0,2,...,8 μA.

Circuitul integrat CLB 2711EC are pe capsula 2 comparatoare, fiecare având schema din figura 11.23.

Intrarile STR₁, STR₂ sunt intrari de "strob" sau de autorizare care permit transferul catre iesirea OUT a rezultatului compararii numai daca sunt în starea H. În cazul în care ambele semnale STR₁ = STR₂ = H sunt active iesirea OUT are valoarea H daca unul din comparatoarele C₁ sau C₂ este în stare H.

În figura 11.24 este prezentat simbolul unui comparator ( CLB7211 ).

Pentru a obtine un semnal logic TTL la iesirea circuitului integrat se conecteaza un tranzistor bipolar care sa adapteze nivelele de tensiune, ca în figura 11.25.

În colectorul tranzistorului T este conectat un releu electronic RL, care îsi închide contactele daca circula curent prin tranzistor, ceea ce se îndeplineste daca tranzistorul primeste un semnal de comanda pe baza.

	Fig. 11.26.

Tabelul contine starile releului (releu comandat = 1) în functie de starea intrarilor comparatorului, cu caracteristica în figura 11.26.

Comparatorul dublu cu reactie pozitiva totala

În figura 11.27 este prezentat un comparator cu reactie pozitiva totala realizat cu 1/2 CLB7211EC, a carui caracteristica de transfer este prezentata în figura 11.28.

La intrarile comparatorului C₁ se aplica tensiunea de intrare V_i (la intrarea directa) si tensiunea de referinta V_REF (la intrarea inversoare). Comparatorul C₁ va avea iesirea în starea H daca V_i > V_REF.

	Fig. 11.28.

Comparatorul C₂ primeste la intrarea neinversoare tensiunea de iesire V₀ iar la intrarea neinversoare primeste o tensiune de referinta fixa, de valoare mica si anule 0,5V.

Initial, la alimentarea circuitului, V₀ = V_OL = 0V < 0,5V rezulta ca iesirea comparatorului C₂ este în starea L si ramâne asa.

Daca V_i > V_REF => tensiunea de iesire a C₁ va creste corespunzatoare starii H => V₀ = V_OH ceea ce înseamna ca la intrarea comparatorului C₂ se va aplica o tensiune mare pe intrarea neinversoare V_i2 = V_OH > V_REF = 0,5V, ceea ce face ca si iesirea comparatorului C₂ sa basculeze în starea H.

Daca V_i se modifica în raport cu V_REF , spre exemplu V_i scade sub valoarea tensiunii de referinta circuitul nu îsi modifica starea iesirii. Nu se modifica nimic pentru ca iesirea este în starea H si la intrarea comparatorului C₂ avem V_i2 = V_OH > V_REF = 0,5V care comparator "tine" iesirea în starea H.

Pentru ca circuitul sa iasa din starea memorata se impune ca la intrarea V_i sa se aplice un semnal ( V_i < V_REF) care sa creeze conditii de basculare a iesirii în starea L si apoi sa se conecteze, pentru scurt timp, iesirea la masa cu comutatorul K. Iesirea va fi în starea L si la intrarea comparatorului C₂ vor fi conditii de basculare a iesirii în starea L.

Detectorul de vârf (sau de valoare extrema)

Circuitul din figura 11.29, realizat cu 1/2 CLB7211EC, îndeplineste functia de detector de vârf al tensiunii V_i aplicata la intrare, în sensul ca testeaza la diferite momente de timp valoarea tensiunii de la intrare, o compara cu valoarea din intervalul precedent de testare si în functie de rezultatul comparatiei efectueaza una din urmatoarele:

daca tensiunea curenta este mai mare ca valoarea din intervalul precedent, memoreaza tensiunea curenta;

daca tensiunea curenta este mai mica ca valoarea din intervalul precedent, nu face nimic (lasa neschimbata valoarea memorata).

STR - este un semnal dreptunghiular care activeaza sau inhiba procesul de comparare. În timpul cât STR este în starea H este permisa functionarea comparatoarelor, ceea ce înseamna ca în acel interval de timp se testeaza valoarea tensiunii de intrare.

C_M - este condensatorul de memorare a valorii maxime.

D - este o dioda care nu permite decât încarcarea condensatorului de memorare si previne descarcarea acestuia între doua testari.

INV - este un circuit analogic care primeste la intrare tensiunea V_i si furnizeaza la iesire aceeasi tensiune dar cu semnul schimbat (furnizeaza -V_i ).

Daca V_i > V₀ iesirea 10 a comparatorului trece în starea H si completeaza sarcina de pe condensatorul C_M de memorare pâna la valoarea tensiunii aplicate la intrare, deci, deci creste tensiunea V₀. pâna la egalitatea V₀ = V_i . Cu alte cuvinte memoreaza valoarea maxima.

	Fig. 11.29.

Blocul INV a fost prevazut în schema pentru ca detectorul de vârf sa poata functiona atât pentru tensiuni de intrare pozitive cât si pentru tensiuni de intrare negative. Daca tensiunile de intrare sunt pozitive functioneaza comparatorul C₁ iar pentru tensiuni negative va functiona comparatorul C₂. De remarcat ca si în cazul tensiunilor de intrare negative tensiunea de iesire ramâne tot pozitiva. Contactul K se actioneaza numai la începutul unui ciclu de testare a valorii de vârf, pentru ca procesul sa înceapa cu condensatorul C_M la tensiune zero (descarcat).

Particularitati ale comparatorului BM339

Circuitul BM 339 contine 4 comparatoare cu colectorul în gol (tranzistorul de iesire este de tipul NPN cu emitorul la masa si colectorul conectat la borna de iesire a comparatorului ) ceea ce înseamna ca se impune a conecta iesirea printr-o rezistenta R_L la sursa de alimentare V_CC , ca în figura 11.30.

În cadrul figurii 11.30 au fost indicate în ordine fiecare din pinii de intrare si pinii de iesire ale fiecarui comparator (spre exemplu unul din comparatoare are bornele de intrare 9 si 8 iar iesirea este la pinul 14).

Daca circuitul este alimentat cu o sursa duala ca în figura 11.30, intrarile circuitului pot fi de orice polaritate. Iesirea comparatorului se gaseste în una din starile V_OL = -V, V_OH = +V.

Daca circuitul este alimentat cu o sursa cu punct de masa, ca în figura 11.32, tensiunile de intrare se impune sa fie pozitive iar iesirea se gaseste în una din starile V_OL=0V, V_OH=+V.

În figura 11.32 este prezentat un comparator prevazut cu un circuit auxiliar, format din tranzistorul T , care functioneaza corect daca tensiunea V_STR este suficient de mica pentru a mentine tranzistorul blocat. Pentru tensiuni V_STR > 0,7V tranzistorul este saturat si iesirea este în starea V_0L indiferent de starea intrarilor. Semnalul V_STR îndeplineste functia de semnal de autorizare.

Bascularea comparatorului realizat cu BM339 are loc când

I_i+ > I_i- .

Tensiunea de referinta V_REF poate fi  obtinuta din tensiunea sursei de alimentare +V ().

Daca unul din comparatoarele circuitului integrat nu este folosit în aplicatie, se vor conecta la masa atât intrarile cât si iesirea acestuia.

Interfata cu BM339 între circuite analogice si circuite TTL

În figura 11.33 este prezentat un circuit pentru formarea nivelelor logice TTL dintr-un semnal analogic V_i.

Circuitul "sI" este utilizat pentru formarea fronturilor semnalului si adaptarea nivelelor de tensiune, pragul corespunzator valorii unu logic este stabilit de tensiunea de referinta.

Daca semnalul numeric se impune sa fie TTL rezistenta de sarcina se adopta R_L = 10k, iar pentru circuite MOS se înlocuieste sursa de alimentare (spre exemplu +15V) si R_L = 100k .

Interfata cu BM339 între circuite TTL si circuite MOS

În figura 11.34 este prezentat un circuit de interfata între semnalele furnizate de circuite TTL si circuite de tipul MOS.

Daca V_i < V_REF tensiunea de iesire a comparatorului este la valoarea sursei de alimentare negative, ceea ce înseamna ca tensiunea de intrare a circuitului MOS va fi V_iL= -12V, corespunzând unei intrari în zero logic.

Daca V_i > V_REF tensiunea de iesire a comparatorului este la valoarea sursei de alimentare pozitive, ceea ce înseamna ca tensiunea de intrare a circuitului MOS va fi V_iL= +5V, corespunzând unei intrari în unu logic.

Ţinând seama de cele de mai sus rezulta ca tensiunea V_REF trebuie sa se afle la limita superioara a nivelului de zero logic furnizat de circuitele TTL V_REF = 1,5V.

Se remarca faptul ca în cazul acestei scheme, ca si în cazul schemei din figura 11.33 semnalele TTL aflate în interiorul zonei de incertitudine (1,5V,.,2,5V) sunt interpretate de circuitele MOS drept unu logic - pentru ca tensiunea de referinta se afla la limita superioara a nivelului de zero logic TTL.

Modalitati de crestere a curentului furnizat de BM339

În conditiile în care iesirea unuia din comparatoarele circuitului integrat BM339 nu este capabila sa furnizeze curentul pe care îl cer circuitele conectate la iesirea acestuia (ori sunt prea multe porti logice, ori este un dispozitiv de putere) se conecteaza la iesirea respectiva un amplificator de curent. Cea mai simpla modalitate consta în conectarea unui tranzistor la iesirea CI, ca în figura 11.35.

Functionarea circuitului are loc astfel

pentru V_i >V_R =+V T este saturat => V₀=0V;

pentru V_i <V_R =0V T este blocat => V₀=+V.

Când tranzistorul este blocat curentul absorbit de circuitele externe este limitat de rezistorul R_C, iar iesirea integratului nu este solicitata decât de curentul invers al tranzistorului.

	Fig. 11.35.

Formator de impulsuri dreptunghiulare cu BM339

Datorita diferitelor prelucrari un semnal analogic, cu toate ca initial era de forma dreptunghiulara, va fi distorsionat si nu va fi de o forma adecvata prelucrarii numerice.

Din acest motiv se folosesc circuite de formare a semnalului.

Aceste circuite trebuie sa refaca fronturile semnalului si sa permita decelarea corecta a semnalelor logice.

Circuitul din figura 11.36 formeaza semnale logice pentru a fi utilizate în circuite numerice MOS, dintr-un semnal analogic. Semnalul analogic V_i este considerat unu logic daca V_i este pozitiv si este considerat zero logic daca V_i este negativ.

Deoarece tensiunea de referinta a comparatorului este V_REF = 0V avem

V_i<0 => V_OL= -V , adica iesirea este în zero logic;

V_i>0 => V_OM=+V , adica iesirea este în unu logic.

Comparator cu fereastra cu BM339

Schema din figura 11.37 este un comparator cu fereastra pentru ca releul RL este actionat numai daca semnalul de intrare V_i se afla între limitele minima V_pm si maxima V_pM.

Pentru

V_pm < V_i => iesirea comparatorului C₂ este în starea H

V_i < V_pM => iesirea comparatorului C₁ este în starea H

ceea ce înseamna ca tranzistorul T va fi saturat si releul RL este actionat

Daca V_i este în afara domeniului unul din comparatoare va avea iesirea în starea L, adica baza tranzistorului va fi la GND (la potential zero), tranzistorul va fi blocat si releul RL nu va fi actionat.

Poarta de numarare cu BM339

În figura 11.38 este prezentata schema de principiu a unei porti de numarare, de fapt este prezentata o portiune dintr-un convertor analog-numeric.

Comparatorul C are iesirea în starea H cât timp tensiunea V_i este mai mare decât V_REF, circuitul sI transferând catre numarator impulsurile furnizate de oscilatorul OSC.

Iesirea este basculata în starea L si numararea este inhibata când tensiunea V_REF devine mai mare ca V_i.

Pentru a obtine un convertor analog-numeric tensiunea V_REF trebuie sa fie liniar crescatoare în timp.

	Fig. 11.38.

Realizarea practica, cu CLB2711, a schemei de principiu a portii este prezentata în figura 11.39 (pentru explicatii vezi si figura 11.27).

	Fig. 11.39.

Circuit basculant monostabil cu BM339

În figura 11.40 este prezentat modul de realizare a unui circuit monostabil cu BM339.

	Fig. 11.40.

În intervalul de timp cât V_i < V_REF iesirea comparatorului C₁ este în starea L, ceea ce înseamna V₀ = 0V.

Când tensiunea creste si V_i >V_REF comparatorul C₁ basculeaza în starea H si iesirea va fi la nivelul sursei de alimentare. Condensatorul se încarca de la V₀, prin rezistorul R catre valoarea sursei de alimentare, ca în figura 11.41.

Cât circula curent de încarcare prin rezistorul R tensiunea

v > 0,5V ; comparatorul C₂ mentine tensiunea de la iesire la valoarea sursei de alimentare. Condensatorul creste V_C la valoarea iesirii V_C = +V iar când curentul prin R se anuleaza, v=0 si comparatorul C₂ îsi schimba starea din H în L. Tensiunea de la iesire revine în starea L.

Timpul cât se încarca condensatorul stabileste regimul tranzitoriu al circuitului .

	Fig. 11.41.

11.3. Temporizatoare electronice

Temporizatoarele sunt circuite electronice care primesc o comanda la un moment de timp si efectueaza o actiune la un interval de timp bine precizat de la primirea comenzii.

În aceeasi categorie pot fi incluse si programatoarele care efectueaza o serie de actiuni la intervale de timp bine precizate de la momentul primirii unei comenzi de activare.

Temporizatoarele si programatoarele astfel definite spunem ca functioneaza în regim de monostabil.

Un alt regim de functionare este regimul astabil situatie în care circuitul functioneaza ciclic fara vreo comanda externa imediat dupa conectarea sursei de alimentare cu energie.

Temporizatoare cu circuitul integrat βE555

Circuitul integrat βE555, a carui schema bloc este aratata în figura 11.42, se alimenteaza cu tensiuni U_cc de maximum 18 V si poate sa furnizeze la iesirea Q₀, notata cu (3) în figura 11.42, un curent I₀ de maximum 200 mA.

Poate fi utilizat atât în regim de circuit basculant monostabil cât si în regim de astabil, în functie de componentele conectate la borne.

	Fig.11.42.

Circuitul are în componenta doua comparatoare notate cu C₁ si C₂, care au la una din intrari un potential constant (stabilit de divizorul rezistiv) iar la cealalta intrare, PJ/PS, au conectate surse de semnal.

În conditiile în care la borna CONTR, nu se conecteaza un rezistor, potentialele stabilite de divizorul rezistiv determina pragurile

U_p1=(R/3R) U_cc = 1/3 U_cc

si

U_p2=(R+R/3R)V_cc = 2/3V_cc.

Astfel ca pentru U_cc =5V avem U_p1= 1,67V, U_p2= =3,33 V.

Bistabilul RS (CBB pe figura 11.1) înscrie S la iesire (Q=S) daca intrarile sunt diferite (R≠S) si lasa iesirea Q nemodificata daca starea intrarilor este în zero logic (R=S=0)

Comparatorul C₁/C₂ determina un potential ridicat ("1 logic") la iesire daca tensiunea conectata la borna notata (+) este mai mare decât tensiunea conectata la borna notata (-) : V₊ > V-.

Ţinând seama ca U_p1=U₁₊ si U_p2=U_I- în conditiile în care potentialele intrarilor PJ si PS se modifica între valorile 0V si U_cc , s-au prezentat în figura 11.2 atât starile iesirilor celor doua comparatoare cât si starea iesirii bistabilului (CBB din fig. 11.42).

Deoarece în schema este prevazut amplificatorul A în regim de inversor, iesirea circuitului este .

Diagrama din figura 11.43 poate fii explicitata, în sensul ca starea iesirii Q₀ a circuitului integrat se modifica daca unul din semnalele de la intrarile PJ, PS iese din domeniul de limitare impus; deci daca

U_ps > U_p2 → Q₀=0, sau daca U_pj <U_p1 → Q₀=1.

Tranzistorul T_D (v. fig. 11.1), numit de descarcare, este saturat atunci când Q₀ este în zero logic, ceea ce face ca iesirea DESC sa fie la potentialul GND ( de fapt la U = 70 mV) sau altfel spus Q₀=0 → DESC = GND.

Schemele de utilizare a circuitului integrat contin totdeauna un condensator care se încarca potrivit utilizarii circuitului, iar T_D este utilizat la descarcarea rapida a acestui condensator.

Tranzistorul T_B, de blocare, se satureaza daca ADZ este conectata la GND, ceea ce face ca iesirea Q₀ sa nu se mai modifice ( ramâne în "1 logic"), indiferent de starea intrarilor PJ, PS. Daca comanda de blocare nu este folosita, borna ADZ se conecteaza la sursa U_cc.

Intrarea CONTR este folosita uneori pentru a modifica pragurile U_p1, U_p2, de obicei fiind lasata în aer. Daca între CONTR si GND se conecteaza un rezistor de valoare R₁[kΩ] avem :

De exemplu, pentru R₁= 5 kΩ → U_p2 = 0,4U_cc, U_p1 = 0,2U_cc.

Regimul de monostabil al circuitului integrat E555 se obtine prin conectarea unui condensator C la borna PS si comanda bascularii prin intermediul bornei PJ, ca în figura 11.44a.

Starea stabila a circuitului se obtine pentru tensiune de comanda u_I > U_p1.

La conectarea sursei de alimentare, condensatorul C este descarcat →U_ps= 0 si daca u_I > U_p1, iesirea Q₀ se stabileste în 0 logic Q₀ = L. În aceste conditii=1→ T_D are potential mare pe baza, ceea ce implica T_D saturat si rezistenta mica r_CE a T_D scurcircuiteaza condensatorul C, ceea ce face ca iesirea circuitului integrat sa ramâna în zero logic.

Starea stabila a circuitului se obtine pentru tensiune de comanda u_I > U_p1. La conectarea sursei de alimentare, condensatorul C este descarcat →U_ps= 0 si daca u_I > U_p1, iesirea Q₀ se stabileste în 0 logic Q₀ = L.

În aceste conditii=1→ T_D are potential mare pe baza, ceea ce implica T_D saturat si rezistenta mica r_CE a T_D scurcircuiteaza condensatorul C, ceea ce face ca iesirea circuitului integrat sa ramâna în zero logic.

Bascularea circuitului are loc pe frontul descrescator al tensiunii u_I când aceasta scade sub pragul U_p1 (S=1 cu R=0 face ca Q sa creasca →Q=1). Schimbarea starii iesirii determina conectarea bazei T_D la GND (=0) si condensatorul C nu va mai fi scurcircuitat.

Începe procesul de încarcare a condensatorului de la sursa de alimentare U_cc prin rezistorul R, tensiunea la bornele acestuia modificându-se conform ecuatiei

,

în care τ = RC este constanta de timp de încarcare.

Procesul de încarcare înceteaza atunci când u_ps ≥ 2/3U_cc, la

t = T₁, deoarece comparatorul C₂ îsi basculeaza iesirea în R=1.

Se determina astfel expresia timpului

T₁= τ ln 3 = 1,1 RC.

Schimbarea starii iesirii comparatorului C₂ determina si schimbarea starii iesirii circuitului integrat Q₀ = 0, deoarece CBB primeste la intrare R=1, S=0 → Q₀ = 0. Totodata tranzistorul T_D va avea baza conectata la =1 , acesta se va satura si condensatorul C se descarca de sarcina acumulata prin spatiul colector - emitor într-un timp scurt - de ordinul a T₂ = (2 . 10) μs.

Considerând timpul T₁ de acelasi ordin de marime cu T₂, frecventa maxima a tensiunii u_I este

Regimul de astabil (generator de tensiune cu forma de unda dreptunghiulara) al E555 se obtine prin conectarea în scurtcircuit a intrarilor PJ si PS ca în figura 11.45.

La conectarea sursei cu t.e.m. U_cc, condensatorul C este descarcat, U_pj < <1/3U_cc → S=1, U_ps < 2/3U_cc → R=0 → Q₀ =1, =0 → T_D blocat În aceste conditii condensatorul se încarca prin suma rezistentelor R_A si R_B cu constanta de timp τ₁ = (R_A + R_B )C.

Când u_c > 1/3U_cc atunci u_pj > 1/3U_cc → S=0, dar cum R=0 rezulta ca starea iesirii nu se modifica (ramâne Q₀ =1).

Iesirea Q₀ basculeaza atunci când tensiunea u_c ≥ 2/3U_cc→

u_ps ≥ 2/3U_cc→R=1 cu S=0 ceea ce determina Q₀=0. Deoarece devine 1 logic, baza T_D se va conecta la potential ridicat, T_D se satureaza si conecteaza punctul DESC la masa, deci conecteaza R_B la GND.

Condensatorul se va descarca de sarcina acumulata prin rezistenta R_B cu o constanta de timp

= R_BC.

Rebascularea iesirii are loc când u_c scade sub valoarea de prag a PJ, adica u_c = u_pj ≤1/3U_cc rezulta ca S=1 cu R=0 → Q₀ =1.

Intervalele de tip T₁ si T₂ se determina din conditiile mai sus enuntate astfel :

u_c = 2/3 U_cc=U_cc -( U_cc -1/3 U_cc )

T₁ = (R_A + R_B )C ln2 =0,693 (R_A + R_B ) ;

u_c = 1/3 U_cc=0 -( 0 -2/3 U_cc )

T₂ = R_BCln2 = 0,693R_BC .

Perioada tensiunii generate este atunci

T= T +T₂ = 0,693C(R_A + 2R_B ),

la un factor de umplere

Generator de tensiune liniar variabila cu bE

Un generator de tensiune liniar variabila se obtine cu circuitul bE555 daca condensatorul se încarca la curent constant, spre exemplu, prin intermediul tranzistorului T, ca în figura 11.46.

Circuitul din figura 11.46. functioneaza ca circuitul astabil cu deosebirea ca în intervalul încarcarii condensatorul va avea un curent de încarcare constant, dictat de polarizarea tranzistorului T.

Potentialul bazei tranzistorului poate fi exprimat în doua moduri, care determina egalitatea

din care se determina curentul de încarcare

Durata de încarcare a condensatorului se stabileste considerând relatia de definitie a capacitatii

de unde rezulta timpul

Descarcarea condensatorului are loc pe rezistenta R_B, asa încât T₂ are aceeasi expresie ca la circuitul astabil cu bE