ОДНОТАКТНЫЙ КМОП-ТАЙМЕР Российский патент 1995 года по МПК H03K3/284 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к времязадающим устройствам, реализованным по КМОП технологии, и может быть использовано в тех областях радиоэлектроники, где требуются точные временные интервалы.

Известны полупроводниковые однотактные микромощные КМОП таймеры. Эти таймеры, как и таймеры иных технологий, строятся на основе кристалла, где выполнены их функциональные узлы, и внешних времязадающих элементов Rt и Ct в сочетании с регулировочным резистором.

Одна из особенностей работы таймеров заключается в том, что для формирования точных (Δ≅ 1%) временных интервалов ток утечки Сt должен быть более, чем на два порядка меньше зарядного тока, протекающего от источника питания через Rt, Ct. Вместе с тем известно, что для времен, начиная с единиц минут, уже требуются Rt и Ct в десятки мегаОм и микроФарад, чем больше емкость конденсатора, тем больше его ток утечки.

Поэтому на практике для обеспечения точностных характеристик таймера используют дефицитные дорогостоящие конденсаторы (полистирольные, фторпластовые и иные) и прецизионные резисторы. Если же требуется увеличить длительность формируемых импульсов до единиц часов, то вводят дополнительное оборудование (операционные усилители, транзисторы и т.д.). Все эти "довески", занимая внушительный объем по сравнению с микросхемой таймера, не позволяют произвести интеграцию всех функций устройства на едином кристалле.

В то же время для резисторов и конденсаторов, размещаемых на кристалле, наибольшая надежно реализуемая постоянная времени τ (τ=R˙ C) составляет всего 10 мкс: R_max 100 кОм; С_max 100 пФ. При этом технологическая точность этой постоянной времени равна ± 50% а ТКС 1500 ˙ 10^-6 1/^оС или 0,15%/^оС.

Приведенные данные показывают, что получить сколь-нибудь длительный импульс, например 1с, с качественными по точности и стабильности параметрами, основываясь на характеристиках τ кристалла, не представляется возможным.

Устранить указанные недостатки времязадающих элементов кристалла в некоторой степени удалось в схеме реализации аналоговой RC-цепи с помощью параллельного переключаемого конденсатора.

Эта схема по технологической сущности наиболее близка к заявляемому решению.

В ней первый вывод конденсатор С₁ соединен с выходом первого ключа и входом второго ключа, вход и выход которых соответственно связаны с "+" источника постоянного напряжения U₁ и первым выводом конденсатора С₂, к управляющим входам ключей подведены фазы ϕ₁ и ϕ₂ соответственно, вторые выводы конденсаторов С₁ и С₂ объединены с "-" источника напряжения U₁ и общим проводом, а первый вывод С₂ является выходом устройства.

Работа этой схемы заключается в том, что конденсатор С₁, емкость которого меньше С₂, попеременно с частотой f подключается к источнику постоянного напряжения (на фазе ϕ₁) и к конденсатору С₂ (на фазе ϕ₂), постепенно заряжая последний до величины напряжения U₁.

По существу параллельно переключаемый конденсатор С₁ выполняет функцию резистора, величина которого определяется по следующей формуле
R 1/f ˙ C₁. Величина постоянной времени τ схемы
τ R·C₂= t Если предположить, что длительность периода t частоты f абсолютно стабильна, то погрешность и стабильность времени заряда С₂ (до определенного заданного уровня) определится только характеристиками отношения емкостей.

В связи с тем, что С₁ и С₂ изготавливаются в едином технологическом цикле, размещены рядом и имеют малый ТКЕ (25 ˙ 10^-6 1/^оС), то погрешность τ в данной схеме будет существенно меньше, чем в предыдущей.

Практически погрешность задания отношения емкостей (а здесь и τ) составляет примерно 0,1% ТКЕ отношения мал и не оказывает влияния на характеристики аналоговых схем.

Определим теперь реально достижимую максимальную величину τ в рассматриваемой схеме.

Известно, что диапазон надежно реализуемых на кристалле емкостей составляет от 1 до 100 пФ. Минимальная частота тактовых импульсов в современных информационных системах, устройствах обычно не ниже нескольких сотен килогерц.

Для определенности примем С₁ 1 пФ, С₂ 100 пФ, f 100 кГц. Тогда максимальная величина τ составит 0,001 с, что слишком мало для целого ряда практических применений.

Цель изобретения повышение интеграции времязадающих функций на кристалле.

Это достигается тем, что выполненное на кристалле по КМОП технологии устройство, содержащее первый конденсатор, первый вывод которого соединен с выходом первого ключа и входом второго ключа, вход и выход которых соответственно связаны с шиной питания и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к второму выводу первого конденсатора и общей шине, введены третий ключ, первый-четвертый резисторы, операционный усилитель, компаратор, триггер управления, триггер деления на два, генератор импульсов, шина подстройки генератора и шина частоты, которая подключена к счетному входу триггера деления на два, вход установки в "0" которого соединен с прямым выходом триггера управления и управляющим входом первого ключа, а прямой и инверсный выходы этого триггера подключены к управляющим входам второго и третьего ключей соответственно, при этом первый вывод первого конденсатора соединен с прямым входом операционного усилителя, выход которого связан со своим инверсным входом, инверсным входом компаратора и через последовательно соединенные первый и второй резисторы подключен к общей шине, а общая точка резисторов через третий ключ связана с выходом второго ключа, причем шина питания через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы подключена к общей шине; общая точка этих резисторов связана с прямым входом компаратора, выход которого соединен с входом установки в "1" триггера управления, информационный, установки в "0" и счетные входы которого подключены соответственно к шинам питания, запуска и сброса; его инверсный выход является выходом устройства, и шина подстройки генератора связана с входом управления генератора импульсов, выход которого соединен с шиной выхода генератора.

В результате реализуется таймер с соизмеримыми с традиционными однотактными таймерами электрическими параметрами, содержащий внутри кристалла механизм формирования временных интервалов, приемлемый для практики.

При этом в кристалле размерами, например, 3 х 3 х 0,2 (мм) схема предложенного таймера занимает не более 1/30 от всего объема конструкции и может быть наращена такими же или иными необходимыми функциями.

На чертеже представлена структурная схема таймера.

Он содержит первый и второй конденсаторы С₁ и С₂; первый-четвертый резисторы R₁-R₄; первый, второй, третий ключи 1, 2, 3 на МДП транзисторах; операционный усилитель 4 (ОУ); компаратор 5; триггер управления 6; триггер деления на два 7; генератор импульсов 8; шину подстройки генератора (G) 9; шину частоты (F) 10; общую шину 11; шину питания (Е) 12; шину запуска 13; шину сброса 14 и шину выхода генератора (G) 15.

Рассмотрим исходное статическое состояние схемы и введем необходимые обозначения. Пусть отношение конденсаторов
N (N_→ 0) а коэффициент передачи делителя напряжения R₁, R₂
B (B __→ 1) Для достижения максимального интервала времени N __→ 0; В __→ 1. Обозначим емкость конденсатора С₁ С. Тогда емкость конденсатора С₂ С ˙ N.

В начальном состоянии триггер управления 6 сброшен; на его прямом выходе "1", на прямом и инверсном выходах триггера 7, находящегося в "заторможенном" состоянии, соответственно "0" и "1". Под действием этих сигналов нечетные ключи 1 и 3 открыты, а ключ 2 разомкнут. При этом С₁заряжен до напряжения Е, а С₂ до напряжения Е х В (ОУ 4 повторитель; его входное сопротивление >> 10¹⁵ Ом).

На прямом входе компаратора 5 действует опорное напряжение, которое определяет порог срабатывания этого компаратора. Обозначим это напряжение как U_п. Его величина определяется через коэффициент передачи делителя напряжения R₃, R₄ (D)и напряжения питания E:
U_п D x E где D По своему значению U_п значительно меньше, чем напряжение Е. Поэтому на S входе триггера 6 присутствует "0", что позволяет управлять его входами ЗАПУСК и СБРОС.

На шину частота F 10, которая подключена к счетному входу триггера 7 от внутреннего генератора 8 таймера либо от внешнего генератора поданы импульсы частотой F.

Если используется внутренний генератор G 8, то его частота задается с помощью внешнего (подборного) резистора, который включается между шинами подстройки генератора G 9 и выход генератора G 15.

В момент подачи на вход триггера управления 6 ЗАПУСK короткого положительного импульса на инверсном выходе триггера 6 появляется "1", а на прямом "0". В результате ключ 1 на все время формирования таймером временного интервала размыкается, а триггер деления на два 7 вырабатывает противофазные сигналы, которые управляют ключами 2 и 3 с частотой F/2.

Постепенно конденсатор С₁ разряжается до напряжения U_п, компаратор 5 срабатывает и положительным фронтом своего выходного напряжения устанавливает на инверсном выходе триггера 6 "0", определяя таким образом конец формируемого временного интервала.

Одновременно "1" на его прямом выходе автоматически устанавливает таймер в исходное состояние (время заряда конденсатора С₁ через открытый ключ 1 до напряжения Е 1 мкс).

Рассмотрим теперь подробнее работу временного механизма таймера и выведем соотношения, необходимые для его конструкторской проработки.

В первом полутакте первого периода частоты F/2 ключ 2 открыт, а ключ 3 закрыт. При этом результирующее напряжения U₁, которое установится на параллельно включенных конденсаторах С₁ и С₂ в процессе уравнивания их исходных потенциалов E и ЕxВ, определим из условия сохранения заряда:
C ˙ E + C ˙ N ˙ E ˙ B U₁(C + C ˙ N) (1)
U₁= E· (2) Введем обозначение
ε (3) Тогда U₁ E ˙ε¹ (4) Во втором полутакте первого периода частоты F/2 ключ 2 разомкнут, а ключ 3 замкнут. При этом С₁ заряжен до напряжения U₁, а С₂ до напряжения U₁x B.

В первом полутакте второго периода частоты F/2 на параллельно включенных конденсаторах С₁ и С₂ установится напряжение U₂, которое определяется из условия (1) или (4):
U₂ U₁ ˙ε или U₂ E ˙ε² Следовательно, для К периода напряжение U_к на конденсаторе С₂, а на выходе ОУ 4
U_к Е ˙ε^k (5) Таким образом, получены показательная функция ε^k с отрицательным угловым коэффициентом, которая, как известно из теории, весьма слабо убывает при основании __→ 1
Из приведенной формулы (5) легко найти значение К_пор, при котором ордината функции U_к тождественно равна заданному порогу срабатывания U_п, т.е.

U_к Е ˙ε^k U_п (6) Произведя логарифмирование выражения (6), получим:
lnE + k ˙ ln ε lnU_п
K (7) Принимая во внимание, что число К это одновременно и число периодов частоты F/2, получим время Т, которое формирует таймер:
T (8) Развернутая формула для вычисления времени Т, содержащая все основные компоненты схемы, следующая:
T (9)
П р и м е р. Рассчитать временной интервал Т, который дает таймер, имеющий следующие параметры:
емкость конденсатора С₁ 100 пФ
Емкость конденсатора С₂ 1,0 пФ
Сопротивление резистора R₁ 0,1 кОм
Сопротивление резистора R₂ 100 кОм
Частота F 10³ Гц Определим недостающие данные:
B 0,999
N 0,01
ε 0,99999 Для удобства расчетов примем коэффициент передачи делителя R₃, R₄ D равным е^-1:
D e^-1 0,36. По формуле (7) определим К число периодов частоты F/2, составляющих определяемый интервал времени:
K 10⁵ По формуле (8) определим искомый временной интервал Т:
N 2K/F 2 ˙ 10⁵/10³ 200 с.

При рассмотрении схемы таймера видно, что возможность реализации его элементов и функциональных узлов в кристалле не вызывает сомнений. Остановимся лишь на построении генератора импульсов 8. Наиболее подходящей является схема синхрогенератора, в которой прямой вход операционного усилителя (ОУ) соединен с первыми выводами трех одинаковых по величине резисторов, вторые выводы которых связаны соответственно с плюсом питания, общей шиной и выходом ОУ, инверсный вход которого подключен к первому выводу конденсатора и через времязадающий резистор соединен с выходом ОУ, а второй вывод конденсатора связан с общей шиной. Выбор данного генератора связан с тем, что его частота остается неизменной даже при двукратном изменении напряжения питания. Происходит это за счет пропорциональности между пороговым напряжением срабатывания "компаратора" и напряжением питания генератора.

Кроме того, он обладает и очень высокой температурной стабильностью частоты ≅ 10^-3 (или 0,1%). Обусловлено это тем, что времязадающий конденсатор имеет малый ТКЕ (25 ˙ 10^-6 ˙ 1/^oC), а в качестве времязадающего резистора используется внешний термостабильный резистор с ТКС ≅± 75 ˙ 10^-6 1/^оС. Этим резистором и производится настройка генератора импульсов 8 на ту частоту, которая требуется для конкретного таймера.

Определим теперь качественные показатели таймера. Для этого рассмотрим формулу (9). Ее анализ показывает, что все обозначения, стоящие под знаком логарифма (D, N, B), входят в формулу как отношения одноименных параметров. Вместе с тем известно, что в однородной изолированной среде, каковой является кристалл, номиналы его элементов R, С под воздействием внешних дестабилизирующих факторов изменяются в одну и ту же сторону практически пропорционально. Поэтому значения D. N, B будут const и не зависят ни от абсолютных исходных величин R. C схемы, ни от температурных и временных уходов этих элементов.

Реально изменение временного интервала таймера будет определяться лишь ТКС отношений сопротивлений, который лежит в пределах ± 0,01%/^оС и нестабильностью частоты генератора F (≅ 0,1%).

В итоге результирующая погрешность длительности импульсов таймера не будет превышать 0,5% Указанная погрешность несколько уменьшается, если таймер используется в системе, приборе с кварцевым генератором, у которого нестабильность не хуже 10^-6. В этом случае частота F является для таймера внешней, а длительность его импульсов Т задается коэффициентом передачи D по следующей формуле:
D e^{0,5T˙F˙lnε} Важной особенностью таймера является возможность встраивания его в другие схемы на едином кристалле: получаются полностью законченные функциональные узлы устройства.

Если от таймера требуются временные интервалы в ед. десятки r, то на кристалле монтируются два таймера. Первый из них формирует, скажем, ед. С, а второй использует эти времена в качестве частоты F.

На основе таймера можно создать также схему генератора сверхнизкой частоты. Она реализуется путем установки в разрыв шины ЗАПУСК схемы ИЛИ, подачи на ее первый вход стартового импульса запуска, а на второй вход задержанного (≥ 1 мкc) импульса компаратора.

Использование: импульсная техника, различные радиоэлектронные устройства. Сущность изобретения: однотактный КМОП таймер содержит два конденсатора, три ключа, четыре резистора, операционный усилитель, компаратор, триггер управления, триггер деления на два, генератор импульсов, шину подстройки генератора, шину частоты, соединенные определенным образом. Цель изобретения повышение интеграции времязадающих функций на кристалле. 1 ил.

ОДНОТАКТНЫЙ КМОП-ТАЙМЕР, содержащий первый конденсатор, первый вывод которого соединен с выходом первого ключа и входом второго ключа, вход и выход которых соответственно соединены с шиной питания и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к второму выводу первого конденсатора и общей шине, отличающийся тем, что в него введены третий ключ, четыре резистора, операционный усилитель, компаратор, триггер управления, триггер деления на два, генератор импульсов, шина подстройки генератора и шина частоты, которая подключена к счетному входу триггера деления на два, вход установки в "0" которого соединен с прямым выходом триггера управления и управляющим входом первого ключа, а прямой и инверсный выходы этого триггера подключены к управляющим входам второго и третьего ключей соответственно, при этом первый вывод первого конденсатора соединен с прямым входом операционного усилителя, выход которого соединен со своим инверсным входом, инверсным входом компаратора и через последовательно соединенные первый и второй резисторы подключен к общей шине, а к общей точке резисторов через третий ключ подключен выход второго ключа, причем шина питания через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы соединена с общей шиной, к общему выводу этих резисторов подключен прямой вход компаратора, выход которого соединен с входом установки в "1" триггера управления, информационный, установки в "0" и счетный входы которого подключены соответственно к шинам питания, запуска и сброса, его инверсный выход является выходом таймера а шина подстройки генератора соединена с входом управления генератора импульсов, выход которого соединен с шиной выхода генератора.