ГЕНЕРАТОР ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2004 года по МПК H03K3/27 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и системах управления.

Известен генератор импульсов, содержащий три логических элемента, делитель частоты, дешифратор, кварцевый резонатор и резистор обратной связи (патент РФ №2102833, Н 03 К 3/027, 20.01.98 г.). Выход первого логического элемента соединен с первым входом второго логического элемента, выход которого соединен через кварцевый резонатор с входом первого логического элемента и непосредственно с входом третьего логического элемента, выход которого соединен через резистор с входом первого логического элемента, при этом первый и третий логические элементы выполнены в виде инверторов. Информационный вход делителя частоты соединен с первым входом второго логического элемента, выполненного в виде элемента совпадения, а выходы делителя частоты соединены с соответствующими входами группы входов дешифратора. Выход дешифратора соединен со вторым входом второго логического элемента, при этом вход начальной установки делителя частоты является входом начальной установки генератора импульсов.

Недостатком данного генератора является сложность схемы, связанная с необходимостью использования кварцевого резонатора, который затрудняет микроминиатюризацию, что не позволяет улучшить габаритно-массовые характеристики аппаратуры, в состав которой входит генератор. Кроме того, кварц обладает недостаточной механической прочностью.

Для генераторов миллисекундного диапазона, работающих в условиях повышенных механических нагрузок и при отсутствии требований к высокой стабильности, оптимальным вариантом является построение генератора на логических элементах, изготовленных по КМОП-технологии (на комплиментарных полевых транзисторах со структурой металл-окисел-полупроводник) и RC-элементах.

Известен генератор импульсов, содержащий два логических элемента, выполненных в виде инверторов, конденсатор, первый и второй резисторы (Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1990, стр. 62, рис. 111). Выход первого логического элемента соединен с первым входом второго логического элемента и со вторым выводом первого резистора. Выход второго логического элемента через конденсатор соединен с первыми выводами первого и второго резисторов. Вход первого логического элемента соединен со вторым выводом второго резистора. Данный генератор выбран прототипом.

Недостатком указанного генератора импульсов является низкая стойкость к ионизирующему излучению.

Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является создание генератора импульсов, который с высокой надежностью генерирует импульсы в условиях воздействия ионизирующего излучения при сохранении повышенной механической прочности.

Задача решается тем, что в генератор импульсов, содержащий два логических элемента, положительную и отрицательную шины питания, первый и второй резисторы, первый конденсатор, при этом выход первого логического элемента соединен с входом второго логического элемента и вторым выводом первого резистора, выход второго логического элемента соединен со вторым выводом первого конденсатора, первый вывод которого соединен с первым выводом первого резистора, а вход первого логического элемента соединен со вторым выводом второго резистора, согласно изобретению введены третий резистор и второй конденсатор, а каждый логический элемент выполнен в виде элемента 2И-НЕ, причем первые входы элементов 2И-НЕ соединены с шиной управления. Второй вывод третьего резистора и первый вывод второго конденсатора подсоединены к первому выводу второго резистора, первый вывод третьего резистора подсоединен к первому выводу первого резистора, а второй вывод второго конденсатора подсоединен к отрицательной шине нулевого потенциала.

Введение дополнительных элементов и связей позволило организовать инерционное RC-звено, которое обеспечивает поддержку рабочей фазы генератора и ограничивает токи ионизации на время воздействия импульсного ионизирующего излучения. Выполнение логических элементов в виде 2И-НЕ, причем первые входы элементов 2И-НЕ соединены с шиной управления, обеспечивает управление работой генератора в соответствии с заданным алгоритмом, который задается по шине управления. Этим достигается повышенная стойкость к ионизирующему излучению, а также экономятся ресурсы работы логических элементов и увеличивается надежность работы генератора в целом.

В то же время механическая прочность, как и в прототипе, обеспечивается отсутствием в схеме кварцевых элементов.

Кроме того, каждый логический элемент может быть выполнен в виде микросхемы с открытым стоковым выходом путем введения четвертого и пятого резисторов, при этом первые выводы резисторов подсоединены к шине питания генератора, второй вывод четвертого резистора подсоединен к выходу первого логического элемента, второй вывод пятого резистора подсоединен к выходу второго логического элемента.

Это позволяет снизить вероятность тиристорного эффекта в выходных каскадах микросхемы при воздействии ионизирующего излучения, тем самым повышая надежность работы генератора.

На фиг. 1 представлена электрическая схема генератора импульсов.

На фиг. 2 представлены эпюры работы генератора.

Генератор импульсов на фиг. 1 содержит первый и второй логические элементы 2И-НЕ 1 и 2, первый резистор 3, второй резистор 4 и третий резистор 5, первый конденсатор 6 и второй конденсатор 7, четвертый резистор 8, пятый резистор 9 и шестой резистор 10, шину 11 управления, шину 12 выходных импульсов, шину 13 нулевого потенциала, шину 14 питания генератора.

Шина 14 питания генератора подключена через шестой резистор 10 к положительным выводам питания логических элементов 1 и 2, а также через четвертый резистор 8 к выходу первого логического элемента 1 и ко второму входу второго логического элемента 2, кроме того, через пятый резистор 9 к выходу второго логического элемента 2, ко второму выводу первого конденсатора 6 и к шине выходных импульсов 12.

Шина 13 нулевого потенциала подключена к нулевым выводам питания первого и второго логических элементов 1 и 2, а также ко второму выводу второго конденсатора 7.

Шина 11 управления подключена к первым выводам первого и второго логических элементов 1 и 2.

Выход первого логического элемента 1 соединен через первый резистор 3 с первым выводом третьего резистора 5 и первым выводом первого конденсатора 6.

Второй вывод второго резистора 4 соединен со вторым входом первого логического элемента 1, а первый вывод второго резистора 4 соединен со вторым выводом третьего резистора 5 и первым выводом второго конденсатора 7.

При подаче напряжении питания U_пит На шину 14 питания генератора (см. фиг. 2), напряжение U_к на положительных выводах питания логических элементов 1 и 2 будет практически равно напряжению U_пит на шине 14 питания генератора. Так как потребление питания логических элементов 1 и 2 в статическом режиме работы составляет величину порядка нескольких микроампер, а сопротивление резистора 10 составляет сотни ом, то резистор 10 обеспечивает защиту от тиристорного эффекта полупроводниковых переходов логических элементов 1 и 2 при переключениях.

В момент времени t₀, при наличии уровня логического нуля (лог. 0) на шине 11 управления, на шине 12 выходных импульсов формируется уровень логической единицы (лог. 1). При подаче сигнала управления U₁₁ (уровень лог. 1) на шину 11 генератор начинает формирование импульсов U₁₂.

В момент времени t₁ напряжение на втором входе логического элемента 1 достигает уровня срабатывания и происходит изменение состояния выхода логического элемента 1 из лог. 0 в лог. 1. Это вызывает изменение состояния выхода логического элемента 2 из лог. 1 в лог. 0.

Резкое изменение напряжения на выходе логического элемента 2 с уровня U_пит до 0 приводит к изменению потенциала в точке соединения резисторов 3 и 5 до уровня напряжения приблизительно 0,5 U_пит. Поскольку резистор 3 подключен через резистор 8 к точке с потенциалом U_пит, конденсатор 6 начинает заряжаться через резисторы 3 и 8. Конденсатор 7 через резистор 5 подключен к конденсатору 6 и тоже начинает заряжаться через резистор 5.

В момент времени t₂, когда напряжение на втором входе логического элемента 1 достигнет уровня напряжения, превышающего пороговое напряжение U_пор, произойдет смена состояний логических элементов. На выходе логического элемента 1 установится сигнал лог. 0, на выходе логического элемента 2 - сигнал лог. 1. Напряжение на конденсаторе 6 увеличивается до уровня (U_пор+U_пит). Напряжение на конденсаторе 7 увеличивается до уровня напряжения, примерно равного U_пор, и начинается разряд конденсатора 6 через резисторы 3 и 9. Конденсатор 7 также начинает разряжаться через резисторы 3 и 5.

В момент времени t₃, когда напряжение U₇ на втором входе логического элемента 1 достигнет уровня напряжения ниже порогового уровня U_пор, происходит смена состояний элементов.

При воздействии ионизирующего излучения в моменты времени t₄ и t₅ происходит ионизация полупроводниковых переходов логических элементов 1 и 2, что приводит к протеканию ионизационных токов через логические элементы 1 и 2, а также через резистор 10. В результате конденсатор 6 разряжается частично, так как постоянная времени частоты генератора много больше времени потери работоспособности логических элементов.

Конденсатор 7, если он заряжен, может разряжаться ионизационными токами через резистор 4. Допустимое минимальное напряжение на конденсаторе 7, при котором генератор восстанавливает свое состояние после окончания действия импульса ионизирующего излучения, определяется пороговым напряжением по второму входу логического элемента 1. Поскольку к моменту окончания импульса ионизирующего излучения t₄/_{, или t5/напряжение Uк после восстановления полупроводниковых переходов ниже, чем напряжение в установившемся режиме Uк≈Uпит, то процесс восстановления генератора под действием остаточного напряжения на конденсаторе 7 будет происходить при более низком напряжении по сравнению с установившимся значением Uк. Так как пороговое напряжение логических элементов, выполненных по КМОП-технологии, является линейной функцией от напряжения питания, то с уменьшением напряжения Uк будет уменьшаться пороговое напряжение логических элементов 1 и 2. Это значит, будет пониженным и минимально-допустимое напряжение на конденсаторе 7, при котором генератор восстанавливает свое состояние после восстановления полупроводниковых переходов логических элементов 1 и 2.}

Как показали экспериментальные исследования генератора, несмотря на использование в схеме генератора радиационно-стойких интегральных микросхем, на уровень стойкости к сбою в работе существенное влияние оказывает выбор конденсатора 7 и резистора 10. Резистором 10 в цепи питания ограничиваются токи ионизации через полупроводниковые элементы и определяется напряжение U_к. Постоянная времени заряда конденсатора 7 достаточна для сохранения фазы состояния генератора к моменту окончания импульса радиоактивного излучения, так как резисторы 4 и 5 выбраны порядка 200 кОм. Указанное обстоятельство позволяет обеспечивать устойчивость работы генератора в условиях ионизирующего излучения с заданной длительностью импульса излучения. Постоянная времени заряда конденсатора 6 должна превышать постоянную времени перезаряда конденсатора 7.

Таким образом, из описания работы генератора импульсов видно, что введение дополнительных элементов позволило организовать инерционное RC-звено, которое обеспечивает поддержание рабочей фазы генератора в условиях ионизирующего излучения с заданной длительностью импульса излучения.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и системах управления. Достигаемый технический результат - высокая надежность генерации импульсов в условиях воздействия ионизирующего излучения при сохранении повышенной механической прочности. Генератор прямоугольных импульсов содержит два логических элемента 2И-НЕ, шесть резисторов, два конденсатора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор прямоугольных импульсов, содержащий первый и второй логические элементы, выполненные в виде элементов НЕ, изготовленные по КМОП-технологии, шину питания генератора, шину нулевого потенциала, шину выходных импульсов, первый и второй резисторы, первый конденсатор, при этом положительные выводы питания логических элементов подсоединены к шине питания генератора, а нулевые выводы питания логических элементов подсоединены к шине нулевого потенциала, выход первого логического элемента соединен с входом второго логического элемента и вторым выводом первого резистора, выход второго логического элемента соединен с шиной выходных импульсов и со вторым выводом первого конденсатора, первый вывод которого соединен с первым выводом первого резистора, а вход первого логического элемента соединен со вторым выводом второго резистора, отличающийся тем, что в него введены шина управления, третий резистор и второй конденсатор, а каждый логический элемент выполнен в виде элемента 2И-НЕ, первые входы которых соединены с шиной управления, при этом второй вывод третьего резистора и первый вывод второго конденсатора подсоединены к первому выводу второго резистора, первый вывод третьего резистора подсоединен к первому выводу первого резистора, а второй вывод второго конденсатора подсоединен к нулевым выводам питания логических элементов и к шине нулевого потенциала, а положительные выводы питания логических элементов подсоединены к шине питания генератора через шестой резистор.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый логический элемент выполнен в виде микросхемы с открытым стоковым выходом.