Sisteme cu Circuite Integrate Digitale
Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Prof. dr. ing. Sorin Hintea
Departamentul Bazele Electronicii
Obiective
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Cunoasterea si familiarizarea cu circuitele generatoare de impulsuri
Familiarizarea cu conceptele legate de circuitele generatoare de impulsuri
Terminologie
Retele RC
Familiarizarea cu clase de circuite generatoare de impulsuri
Circuite monostabile
Circuite astabile
Oscilatoare in inel
Dezvoltarea cunostintelor necesare pentru putea implementa circuite generatoare de
impulsuri
Studiul unor exemple de circuite generatoare de impulsuri
Cuprins
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Definitii
Retele RC
Circuite monostabile
functionare
implementare
Circuite astabile
functionare
implementare
Oscilatoare in inel
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite generatoare de impulsuri - Definitii
Circuite bistabile, monostabile si astabile
Bistabilul – circuit digital cu doua stari stabile, trecerea dintr-o stare in alta se
face numai la comanda exterioara
Monostabilul – circuit digital cu o stare stabila si una instabila. Circuitul iese
din starea stabila numai ca urmare a unei comenzi exterioare, dupa care revine in
starea initiala in functie de o constanta de timp (data de un circuit RC).
Astabilul – circuit digital care nu are nicio stare stabila, trece singur dintr-o
stare in alta si inapoi, functie de o constanta de timp (data de un circuit RC).
Aplicatii de temporizare
Terminologie:
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Retele RC – incarcarea si descarcare unui condensator
Circuitul integrator – rejecteaza frecvente inalte
outin ViRV
dt
dVC
dt
dQi out
outout
in Vdt
dVRCV
outoutin V
dt
dVV
dtVV
V
dt
dV
inout
inout
1
inout VV τ mic“slow electronics”
τ mare“fast electronics”
RC
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Retele RC – incarcarea si descarcare unui condensator
Circuitul derivator – rejecteaza frecvente joase
outin VC
QV
dt
dV
dt
dQ
Cdt
dV outin 1
R
vi
dt
dQ
dt
dV
RC
V
dt
dV outoutin
dt
dVV
dt
dV outout
in
inout
inout
VVdt
dV
dt
dV
dt
dVV in
out τ mic“fast electronics”
τ mare“slow electronics”
RC
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Retele RC – incarcarea si descarcare unui condensator
Timpul de incarcare a unui condensator
RC
RC
t
SC eVV 1
R
Vi SC
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Monostabile - functionare
Circuitele monostabile (circuite multivibratoare) genereaza ca raspuns la o comanda
externa impulsuri de iesire cu durata stabilita de o constanta de timp,
Functionarea circuitelor monostabile:
Circuitul se afla in starea stabila ‘0’
Circuitul iese din starea stabila ca urmare a unui impuls de comanda (de
exemplu ca urmare a apasarii unui buton);
Impulsul generat la iesire are durata stabilita de o constanta de timp (de
exemplu a unui circuit RC)
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Monostabile - functionare
Exista doua tipuri principale de monostabile:
retrigerabile – QR
neretrigerabile – QNR
Daca tipul monostabilului nu este specificat, se considera implicit neretrigerabil
t
t
tτ t1<τ
τ
t2>τ
trigger
input
QR
QNR
Accepta comanda
retrigerabil
Ignora comanda
neretrigerabil
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Monostabile – implementarea cu porti SI-NU
Conditii initiale: CT descarcat, V1 = ‘0’
Intrarea U2: ‘0’ Q = ‘1’ T: “11” Iesirea U1: ‘0’
Butonul genereaza un impuls de triggerare
T: “10” Iesirea U1: ‘1’ Capacitatea se incarca V1 = ‘1’
Capacitatea se descrca exponential, cu constanta de timp τ=RTCT
V1 = ‘0’ Q = ‘1’ T: “11” Iesirea U1: ‘0’
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Monostabile – implementarea cu inversoare
Conditii initiale: T = ‘1’, CT descarcat
V1 = ‘0’ Q = ‘1’
Butonul genereaza un impuls de triggerare
T = ‘0’ Iesirea U1: ‘1’ D – conductie CT se incarca
V1 = ‘1’ Q = ‘1’ stare de metastabilitate, dureaza pana T = ‘0’
T = ‘1’ Iesirea U1: ‘0’ D – blocata CT se descarca, cu constanta
de timp τ=RTCT V1 = ‘0’ Q = ‘1’
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Astabile - functionare
Circuitele multivibratoare astabile functioneaza ca si oscilatoare intre doua stari
LOW si HIGH
Functionarea circuitelor astabile:
Circuitul nu are stari stabile sau metastabile
Starea se schimba periodic din LOW in HIGH si invers
O stare are durata stabilita de o contanta de timp (de exemplu a unui circuit RC)
Aplicatii: generator de tact, temporizare
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Astabile – implementare cu Trigger Schmitt
Conditii initiale: Q = ‘1’ CT se incarca V1 = ‘1’
V1 = ‘1’ Q = ‘0’ CT se descarca V1 = ‘0’
V1 = ‘0’ Q = ‘1’ CT se incarca V1 = ‘1’
τt
Q
τt
CT
RT
V1
V1
De ce este necesar inversorul Trigger Schmitt?
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Astabile – implementare cu Trigger Schmitt
Inversorul – intrari lent variabile Mecanismul de inversiune
Comutatia are loc cu absorbtie de curent de la alimentare si translateaza pragul de
comutatie, astfel incat provoaca o noua comutatie
Trnazitiile lente la intrare cauzeaza oscilatii la iesire
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Astabile – implementare cu Trigger Schmitt
Inversorul – zgomot la intrare Mecanismul de inversiune
Din cauza zgomotului, semnalul de intrare parcurge pragul de comutatie de mai
multe ori provocand comutatii multiple
Zgomotul la intrare cauzeaza oscilatii la iesire
vI
vI vO
t
t
vO
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Astabile – implementare cu Trigger Schmitt
Problema: tranzitii lente la intrare
Solutia: comutatie mai rapida
Problema: zgomot la intrare
Solutia: 2 praguri de comutatie
Inversorul Trigger Schmitt
vO
vI
vOH
vOL
vIL vIH
Carcateristica cu histerezis
VIN creste, VOUT = VOH pana VIN > VTH iar apoi VOUT = VOL
VIN scade, VOUT = VOL pana VIN < VTL iar apoi VOUT = VOH
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Astabile – implementare cu Trigger Schmitt
RC
t
CCCC eVVVtV
)]0()([)()(
Calculul frecventei
T1 – the output is ‘HIGH’
T2 – the output is ‘LOW’
21
1
TTf
Expresia generala pentru incarcarea unui
condensator
calculul
perioadei T1
calculul
perioadei T2
PHRC
T
PLDDDDC VeVVVTV
1
][)( 1
PHDD
PLDD
VV
VVRCT
ln1
PLRC
T
PHC VeVTV
1
]0[0)( 2
PL
PH
V
VRCT ln2
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Astabile – implementare cu porti SI-NU
Conditii initiale: C descarcat , Q = ‘1’ V2 = ‘0’
C se incarca cu constanta de timp τ=R2C V3 scade V1 = ‘0’
V2 = ‘1’ Q = ‘0’
C se descarca prin rezistenta R1
C se incarca in sens invers cu constanta de timp τ=R2C V3 creste
V1 = ‘1’ V2 = ‘0’ Q = ‘1’
Constanta de timp a astabilului: τ = 2.2R2C
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Circuite Astabile – implementare cu porti SI-NU
Simulation results for the 2
NAND gates generator
a) Node V1
b) Node V2
c) Output V3
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Oscilatoare in inel
Circuite astabile implementate numai cu porti inversoare
Numar impar de inversoare, fara retea RC
Functioneaza pe baza timpului de propagare prin inversoare
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Oscilatoare in inel
Oscilatoarele in inel sunt folosite pentru a determina parametrii de timp pentru noile
tehnologii
Frecventa oscilatiei este:
f = 1 / (2n tp)
Unde n este numarul etajelor (inversoarelor) , iar tp este intarzierea
datorata fiecarui element (aici inversor).
Conditia pentru oscilatie : 2n tp >> tH L+ tLH
Sisteme cu circuite integrate digitale - Circuite de generare si prelucrare a impulsurilor
Bibliografie
Rabaey J.M., Chandrakasan A., Nikolic B. Digital Integrated Circuits. A design perspective.
Prentice Hall, 2003.
Weste N.H.E, Harris D. CMOS VLSI Design. A Circuits and Systems Perspective. Pearson
Addison Wesley, 2005. http://www3.hmc.edu/~harris/cmosvlsi/4e/
http://www.electronics-tutorials.ws/sequential/seq_3.html
http://www.ti.com/lit/an/scea046/scea046.pdf
H. Kaeslin, “Digital Integrated Circuit Design From VLSI Architecture to CMOS Fabrication”,
Cambridge University Press, 2008.
Ercegovac, M., Lang T., Moreno J. Introduction to Digital Systems. John Wiley &Sons Inc,
New-York, 1999
Sorin Hintea, Mihaela Cirlugea, Lelia Festila. Circuite Integrate Digitale. Editura UT Press,
Cluj-Napoca, 2005
Sorin Hintea. Tehnici de proiectare a circuitelor digitale VLSI. Casa Cartii de Stiinta. Cluj-
Napoca, 1998