Artiklens baggrund

         I slutningen af 1960'erne skrev jeg nedenstående artikel til Elcom, der var et internt tidsskrift for "Elektronikgruppen ved Københavns Universitet" = EKU, hvis medlemsskare overvejende var rekrutteret blandt Universitetets studenter og ansatte.
         Artiklen, der her er noget forkortet og omredigeret til brug for hjemmesiden, blev oprindeligt publiceret i en håndskreven version og kunne allerede dengang betragtes som en smule nostalgisk.
         Som det fremgår af fig. 1. havde jeg planer om en fortsættelse af artiklen. Jeg fik da også nedfældet endnu et afsnit, men jeg skønnede, at det var blevet rigeligt elementært for Elcoms læsere og det blev ikke "trykt".

         En halv snes år senere fik artiklens overvejelser fornyet aktualitet, da jeg indså, at den logiske ExOr-funktion kunne udnyttes til konstruktion af et rød/gult/grønt trafikfyr. Man skulle "bare" have 2 firkantspændinger med samme frekvens og en kontrolleret faseforskydning.
         I et mindre forsøgsprojekt udnyttes CMOS-triggeren dels som oscillator og dels til at frembringe en passende faseforskydning. Dette projekt beskrives og diskuteres i et særligt afsnit.

Betragtninger over C-MOS Smith-trigger/oscillator.

Elektronik i udvikling

         Almindelige triggere eller oscillatorer indgår ofte i vore konstruktioner. Desuden er det et faktum, at oscillatorer ofte fanger begynder-elektronikerens interesse og mangen en amatør har fået stillet en stor del af sin trang til eksperimenter ved at beskæftige sig med netop denne slags konstruktioner. Ikke underligt, for her er et felt, der ikke kræver mere end det allernødtørftigste udstyr i form af værktøj eller måleinstrumenter. Komponentvalget er i de fleste tilfælde ganske ukritisk og selv ret grove afvigelser fra de beregnede værdier ødelægger sjældent resultatet, der foreligger efter få timers byggevirksomhed.

         "Gamle drenge" vil huske, hvorledes de, da deres vigtigste "måleinstrument" var en glødelampe og en loddekolbe endnu stod på ønskelisten, med den a-stabile multivibrator (2 transistorer, 2 kondensatorer og 4 modstande) havde en konstruktion, der i talrige varianter kunne bringes til anvendelse i de mest utrolige funktioner.
         I mere prætentiøse projekter indgår triggere (som signalgeneratorer, "kurveformere" eller "clocks") hyppigt som vigtige elementer. De er fortsat aktuèlle og hobbykonstruktøren skal altså, blandt de triggertyper han har erfaring med, vælge en egnet model; hvis han da ikke bare har for vane hver gang at bruge den samme type, fordi han kender denne ud og ind.
         Hvilke er i øvrigt hans muligheder? De ovenfor nævnte multivibratorer kan opbygges i mono-stabile, bi-stabile eller a- stabile udgaver. Hertil kommer et væld af Smith-triggere og blokerings- eller relaxations-oscillatorer. I "gamle dage" opbyggedes sådanne elementer i diskrete komponenter, indtil de integrerede kredsløb (mere eller mindre konstrueret til disse formål) begyndte at gøre sig gældende. Mange konstruktører vil, for at undgå "stilbrud" eller for at få brugt surplus- komponenter, fortsat vælge de mere klassiske løsninger.
         Introduktion af 7400-serien betød kun en begrænset øgning af valgmulighederne, fordi 7400-seriens specifikke krav til driftspænding, dens lave impedans og "gain" gør den lunefuld at arbejde med. LF-oscillatorer bygget over 7400-IC'er bliver tilmed ofte ligeså voluminøse som de tilsvarende konstruktioner i diskrete komponenter.

CMOS-kredsene i 4000-serien er gode

         4000-seriens integrerede kredse havde ikke været ret længe på hobbyelektronikmarkedet, før prisen på dem var faldet til et fristende lavt niveau. Denne omstændighed sammen med deres bekvemme data udvidede konstruktørens valgmuligheder ganske mærkbart. Bortset fra specièlle tilfælde kan en trigger/oscillator nu med fordel være en CMOS-konstruktion -- både plads- og pris-mæssigt.

         I lighed med 7400-serien fås i 4000-serien gates, der har en veldefineret hysterèse og de benyttes naturligvis, hvor man har behov for sådanne. Undertiden er det dog ønskeligt at opbygge en Smith-trigger af almindelige standard-gates, f. eks. hvis man fra nogle andre af konstruktionens delkredsløb har overskydende gates, der elegant kan sættes "i arbejde" i stedet for indsættelse af endnu en (mere specialiseret) IC. Det er ikke sandsynligt, at omkostningerne ved den ekstra IC kommer til at betyde noget, men ved at bruge de allerede tilstedeværende IC'er, kan man holde antallet af sårbare komponenter nede. Desuden kan en Smith-trigger opbygget af standard-gates bedre skræddersyes til den opgave, den skal løse. Følgende vil jeg (noget forenklet) gennemgå nogle af de parametre, der vil indgå, når man "tager mål" til en CMOS-Smith-trigger af almindelige inverter-gates.

CMOS-trigger m.m.

Dimensionering af triggerkredsløb

         På fig. 1 ses ½ 4049, der i kombination med 2 modstande R1 og R2 udgør en Smith-trigger-inverter: R2 sørger for et passende feed-back og fastlægger i samarbejde med R1 triggerens hysterèse, hvis "bredde" bestemmes af forholdet R1/R2. Når talforholdet er lille fås en lille hysterèse og vice versa. Der findes imidlertid visse begrænsninger for modstandsværdierne.
         Lad mig for nemheds skyld sætte, at triggeren skifter, når indgangsspændingen Um til den første gate passerer det halve af driftspændingen og at denne er 5 volt. Med andre ord "sker der noget", når Um fra et højere eller lavere niveau passerer værdien 2,5 V. Spændingsdeleren R1/R2 skal altså dimensioneres således, at et niveauskifte (det ønskede: stort eller lille) af inputspændingen U1 bringer Um sikkert og hurtigt gennem 2,5 V (= kriterium 1). Når U1 efter trigning eventuèlt bevæger sig tilbage mod det modsatte triggeniveau, øges forskellen mellem U1 og Um. Strømmen gennem R1 -- off-set-strømmen -- kan følgende beregnes ved brug af Ohms lov:
ioffs=(U1-Um)/R1,

heri er indeholdt et andet kriterium for konstruktionen: ioffs må ikke være større, end at spændingsgeneratoren, der "leverer" U1, er i stand til at "synke" denne strøm uden at U1 ændres mærkbart (= kriterium 2). CMOS-gatens indgang er heldigvis så højimpedanset, at R1 og R2 kan gives meget store værdier med en meget lille ioffs til følge.
Ohms lov giver desuden:

Um=(U1R2+U2R1)/(R1+R2), (3)

         Jeg vil laborere lidt videre på kriterium (1). For nemheds skyld har jeg allerede sat, at triggeren vender ved Um = 2.5V, gældende for 5 V driftsspænding. Jeg har også stiltiende ladet triggeren arbejde symmetrisk og denne formodning vil jeg udnytte i det følgende. Hvis det høje trigge-niveau ved U1 kaldes U1TH og det lave U1TL, kan symmetrien udtrykkes således

(4):

(U1TH+U1TL)/2=Umt (=2,5 V.), hvor

Umt altså bliver værdien for Um i det øjeblik skiftet finder sted (lidt theoretisk).
         Indsættes Umt og U1T i (3) fås en grænseværdi for talforholdet mellem R1 og R2,

nemlig:

R1/R2=(U1T-Umt)/(Umt-U2)

Ved beregningen skal man huske at bruge spændingerne umiddelbart før skiftet; altså at man skal bruge den høje værdi for U2, når man indsætter den lave værdi U1TL. Med mit taleksempel (U2 sættes ikke for optimistisk til 4,8 og 0,2 V.) vil det sige, at:

R1/R2=(U1TL-2,5)/(2,5-4,8)=(U1TH-2,5)/(2,5-0,2)

         Virkeligheden vil selvfølgelig afvige noget fra denne theoretiske R1/R2, der er mest anvendelig, hvis (U1TH-U1TL) er lille, da afvigelser i så fald ikke bringer kriterium (4) i klemme i driftsspændingen.

En hysterèse-kurve

         Et praktisk anvendelsesområde for Smith-triggere med meget lille hysterése er omformning af uregelmæssige kurveformer til firkantspændinger. En hysterèse på 0,04 volt (d.v.s. U1TL=2,48 og U1TH=2,52 V.) kræver:

R1/R2=(2,48-2,5)/(2,5-4,8)=0,01;

sættes R2 = 10M fås R1 = 100k. Ved forsøgsvis at sætte Umt = 3V fås med samme hysterèse værdier for R1/R2 på hhv. 0,0111 og 0,0071. En afvigelse af Um på 20% fra de forudsatte 2,5 V. medfører altså en ca. 30% ændring af R1/R2. Der kan derfor være interesse for at bestemme den sande Um-værdi for en individuèl gate. En ganske grov, men nogenlunde pålidelig, methode til at måle denne størrelse fremgår af fig. 3.

Måleopstilling.

SLUT

-oOo-
Forside