В некоторых приложениях, таких как формирование прецизионных тактовых сигналов для АЦП с временным разделением или регулировка задержек в различных устройствах с жесткими требованиями к точности временных интервалов, необходимы настройки параметров синхронизации. В этой статье описан генератор задержанных импульсов на основе КМОП микросхемы сдвоенного D-триггера (Рисунок 1). Схема обеспечивает точные временные задержки входного запускающего импульса. Задержка в пределах диапазона полной шкалы устанавливается постоянным управляющим напряжением. Когда схема запускается передним фронтом импульса, на ее выходе формируется импульс, передний фронт которого задержан на величину, равную сумме выбранной временной задержки TD и фиксированной собственной задержки распространения TPD. Ширину выходного импульса определяет постоянная времени R4C2.
 | |
| Рисунок 1. | Передний фронт входного запускающего импульса инициирует начало формирования прецизионного линейно нарастающего напряжения, которое сравнивается с управляющим напряжением, генерируя точную задержку. |
Полный диапазон задержек определяется точным источником постоянного тока IO и конденсатором C1. Когда транзистор Q3 закрыт, источник тока заряжает конденсатор C1, генерируя линейно изменяющееся напряжение с наклоном, равным IO/C1. Задержка – это время, необходимое пилообразному напряжению, для нарастания от начального уровня до значения, установленного на входе управляющего напряжения.
В этом приложении наклон пилообразного напряжения составляет 10 мВ/мкс, поэтому диапазон полной шкалы задержек составляет 256 мкс для управляющих напряжений от 0 до 2.56 В. Установить полную шкалу задержек можно, изменив ток IO либо выбором сопротивления R1 + R2, либо емкостью конденсатора C1. Наилучшая точность достигается в диапазоне токов источника от 10 мкА до 1 мА и емкостей конденсатора от 1 нФ до 1 мкФ; при этом соответствующая шкала задержек изменяется от 2.56 мкс до 256 мс. В качестве C1 следует использовать точный пленочный конденсатор.
Основой источника тока служит точный микромощный шунтовой источник опорного напряжения IC3, вырабатывающий напряжение 1.233 В с начальной точностью 0.2%. Микросхема LM4041 через точные резисторы R1 и R2 управляет включенными по схеме Дарлингтона транзисторами Q1 и Q2 опорным током
Конфигурация Дарлингтона гарантирует, что базовый ток будет незначителен, а точность выходного тока коллектора будет не хуже 0.3%. Можно использовать любые малосигнальные транзисторы, но для лучшей точности следует выбрать малошумящие биполярные транзисторы с большим усилением по току, такие как 2N5087 или BC557C. На микросхеме IC1A сделан ждущий мультивибратор [1]. Ширина его выходного импульса равна
где VTH – напряжение порога цифровых КМОП схем, а VDD – напряжение питания. Поскольку
то
Диод D1 сокращает время восстановления. После подачи питания транзистор Q3 находится в состоянии насыщения, принимая на себя выходной ток источника, и, как только входной импульс запускает схему, «лог. 0», появившийся на выходе Q микросхемы IC1B, выключает Q3 и запускает генерацию пилообразного напряжения. Когда линейно нарастающее напряжение превысит управляющее напряжение, уровень напряжения на выходе компаратора IC2A станет высоким, и нарастающий фронт на входах CLK D-триггера запустит ждущий мультивибратор IC1A и через триггер IC1B включит транзистор Q3, позволяя разряжаться конденсатору C1. После того, как входной импульс запустит схему, любой другой запускающий импульс, возникающий перед задним фронтом задержанного выходного импульса, не способен изменить состояние схемы; иными словами, схема не обладает свойством перезапуска. Это позволяет одновременно делить частоту входного сигнала и задерживать его.
Хотя микросхемы IC1 и IC2 могут работать от источника питания от 3 до 16 В, минимальное напряжение питания схемы составляет 5 В, поскольку в противном случае транзисторы Q1 и Q2 находились бы вблизи насыщения, формируя менее линейное пилообразное напряжение. Диапазон входных синфазных напряжений компаратора TS3702 (IC2A) включает «землю», что позволяет контролировать входные напряжения до 0 В.
Однако для правильной работы схемы минимальное управляющее напряжение должно быть больше напряжения насыщения транзистора Q3. Значение, измеренное при использовании компонентов, показанных на Рисунке 1, составило 12 мВ. Если нужно уменьшить это напряжение, можно использовать n-канальный MOSFET с логическим уровнем управления и низким сопротивлением открытого канала. Дополнительный входной фильтр нижних частот, состоящий из элементов R6 и C4, помогает очистить от шума управляющее напряжение.
Если входное управляющее напряжение формируется с помощью ЦАП, можно сделать генератор задержки с цифровым программированием. Подходящим недорогим 8-разрядным ЦАП является AD558, имеющий внутренний прецизионный источник опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны и обеспечивающий выходное напряжение от 0 до 2.56 В, что делает единицу младшего разряда равной 1 мкс. Он питается напряжением от 5 до 16 В и имеет время установления 1 мкс.
Собственный ток, потребляемый схемой, составляет менее 300 мкА, поскольку в ней используются только микромощные микросхемы.