Эта заметка рассчитана на начинающих любителей электроники, которые пока еще делают свои первые эксперименты на макетной плате с цифровыми микросхемами малой и средней степени интеграции. Представьте: вы собрали схему, все выглядит правильно, но устройство внезапно начинает вести себя странно: подсветка мерцает, счетчик срабатывает несколько раз вместо одного, а кварцевый генератор то запускается, то нет. Особенно часто такие проблемы появляются там, где сигнал меняется медленно — например, в цепях с датчиками медленно изменяющихся параметров, некоторых генераторах или цепях с RC‑элементами.

Привет, Хабр! Меня зовут Павел Кириченко, я ведущий инженер по разработке СнК YADRO. В этой статье разберем, как логический инвертор может усиливать помехи, почему область неопределенности сигнала считается опасной и как триггеры Шмитта помогают сделать схемы более устойчивыми.

Эти знания будут полезны в экспериментах на курсе по схемотехнике для начинающих. Переходите на страницу курса, чтобы собрать свою первую электрическую схему на макетной плате и сделать первый шаг к инженерной профессии.

Цифровые сигналы и динамика логических элементов

При анализе цифровых схем необходимо учитывать не только логические уровни, но и динамические характеристики сигналов: времена нарастания и спада, пороги переключения, входную емкость и помехоустойчивость. Реальный сигнал имеет конечную скорость изменения и между логическими состояниями проходит через область неопределенности.

В КМОП‑инверторе вблизи порога переключения одновременно открыты p‑ и n‑канальный транзисторы. Передаточная характеристика элемента на этом участке обладает высоким коэффициентом усиления, поэтому небольшие изменения входного напряжения могут вызывать существенные изменения выходного. При медленном фронте наложенные помехи способны провоцировать повторные переключения и ложные срабатывания.

Далее рассмотрим механизм возникновения дребезга, влияние RC‑цепей на устойчивость цифровых узлов и применение триггеров Шмитта с гистерезисом для повышения помехоустойчивости.

Почему цифровой сигнал переключается не мгновенно

Когда мы обсуждали двоичные числа в материале «Знакомство с цифровыми сигналами», то говорили о том, что реальные сигналы в цифровой электронике сильно отличаются от их упрощенного представления в виде потока нулей и единиц или мгновенных переключений между низким и высоким напряжением.

В реальном мире сигнал не может переключиться мгновенно. Для перехода из одного состояния в другое ему требуется некоторое время. За этот промежуток сигнал проходит через область неопределенности, которая находится между низким и высоким уровнями напряжения.

В цифровой электронике считают, что этот промежуток настолько короткий, что его можно не учитывать. Но именно этот участок сигнала нередко оказывается самым коварным на временной диаграмме.

Возьмем самый простой логический элемент — инвертор. Что будет, если подать на его вход сигнал, который меняется очень медленно: постепенно поднимается от уровня логического нуля, проходит через область неопределенности и так же неспешно переходит в логическую единицу?

Как в этот момент поведут себя транзисторы внутри инвертора? Ответ разберем ниже.

Сначала открыт p‑канальный транзистор, поэтому на выходе схемы держится логическая единица. Когда входное напряжение начинает расти и достигает порогового значения U2, включается и n‑канальный транзистор. В этот момент ток начинает течь сразу через оба транзистора — от плюса питания к минусу.

Из‑за этого напряжение питания распределяется между ними в зависимости от того, какое сопротивление у их каналов в данный момент. Некоторое время схема находится в промежуточном состоянии, пока входное напряжение продолжает расти. Затем, когда напряжение на входе доходит до U1, p‑канальный транзистор полностью закрывается, и на выходе уже устанавливается уверенный логический ноль.

В курсе для начинающих есть набор компонентов, в котором собрано все необходимое для первых экспериментов: резисторы, светодиоды, макетная плата и другие детали. Изучить содержимое коробки и приобрести ее можно на сайте «Амперки».

У курса также есть чат сообщества, где можно обсудить результаты экспериментов и задать вопросы. Сейчас среди участников чата разыгрывают 10 наборов компонентов. Присоединяйтесь, если хотите перейти от теории к практике и собрать свою первую цифровую схему.

Как помехи искажают переключение цифрового сигнала

На первый взгляд на временной диаграмме ниже все выглядит вполне безобидно. Выходное напряжение переключается не слишком быстро — вроде бы ничего критичного. Кажется, что если поставить следом еще один инвертор, то он спокойно воспримет этот сигнал и нормально переключится из нуля в единицу.

В реальной электронике все не так идеально. На сигнал постоянно влияет много факторов: температура, просадки питания, помехи от соседних дорожек и другие неприятные вещи. Поэтому настоящий сигнал обычно далек от аккуратной линии, проведенной по линейке. Скорее, он похож на линию, нарисованную дрожащей рукой. Из‑за этого начинают искажаться переходы сигнала, а вместе с ними может «поплыть» и выход схемы.

Можно заметить, что в области неопределенности выходной сигнал колеблется даже сильнее, чем входной. Ниже разберемся, почему так происходит.

Работа инвертора в области неопределенности сигнала 

Чтобы разобраться, возьмем рисунок с идеальными графиками, и на его основе построим зависимость выходного напряжения от входного. Делается это довольно просто: нужно лишь посмотреть, какие значения имеют оба сигнала в один и тот же момент.

В итоге получится передаточная характеристика инвертора. Причем здесь не важно, в какую сторону меняется входное напряжение — от 0 к 1 или наоборот. Мы все равно будем двигаться по одной и той же кривой, просто в разных направлениях.

На этой характеристике хорошо видно, что даже небольшое изменение входного напряжения ΔU_вх около середины питания вызывает довольно сильное изменение выходного напряжения ΔU_вых. Это не особенность рисунка, у реальных инверторов все происходит примерно так же. При желании можно посмотреть характеристики настоящих микросхем в их документации и убедиться в этом.

По сути, в области неопределенности инвертор начинает вести себя как усилитель. Конечно, собрать hi‑end усилитель на двух транзисторах не получится, но простейшие усилители звука с такой схемой действительно существуют. Но сейчас нас интересует другое: какие проблемы этот эффект создает в цифровых схемах.

Как сделать переключение сигнала устойчивым

Если на вход цифрового элемента подать медленно меняющийся сигнал — например, с датчика освещенности, который включает и выключает подсветку, — то около половины напряжения питания начинает проявляться эффект усиления. В итоге даже небольшие изменения освещения могут вызвать довольно сильные скачки напряжения на выходе.

Пример из жизни — световые датчики. Освещенность в реальной жизни постоянно изменяется: листья за окном качаются на ветру, по небу проходят облака, кто‑то прошел мимо источника света. Из‑за этого подсветка может начать то включаться, то выключаться без остановки, что быстро начинает раздражать.

Похожая ситуация возникает и с любым медленно меняющимся сигналом, на который накладываются помехи. А вот при быстром переключении сигнала у помех гораздо меньше шансов заметно повлиять на работу схемы. Хотя в электронике, конечно, возможно все что угодно — любой инженер‑практик это подтвердит.

Для решения этой проблемы инженеры используют схемы с гистерезисом. Это явление встречается как в природе, так и в технике. Его суть заключается в том, что поведение системы зависит не только от текущего входного воздействия, но и от направления его изменения.

В обычном инверторе — например, на основе микросхемы CD4069UBE, — пороги включения и выключения совпадают. Из‑за этого при колебаниях сигнала около порогового значения возникает многократное переключение, что и приводит к описанному выше мерцанию подсветки.

В инверторах с гистерезисом, построенных на специальных схемах (триггерах Шмитта), эта проблема решается иначе. Для перехода из состояния 0 в 1 используется один порог, а для обратного перехода из 1 в 0 — другой. Поэтому передаточная характеристика проходит по разным траекториям в зависимости от направления изменения сигнала, как показано стрелками на рисунке ниже.

Такое решение позволяет выходному сигналу игнорировать небольшие колебания входного в пределах зазора между двумя ветками характеристики. Этот зазор называется шириной петли гистерезиса. Благодаря ему система становится устойчивой к помехам и случайным изменениям уровня сигнала. 

Иными словами, чтобы подсветка включилась, входной сигнал должен опуститься значительно ниже половины напряжения питания. А чтобы она выключилась — подняться заметно выше этого уровня.

Если вы работаете с медленно изменяющимися сигналами и сталкиваетесь с неприятным дребезгом выходных импульсов, то попробуйте использовать в качестве приемника сигнала вентиль на триггере Шмитта. Например, микросхему CD4093BE, которая содержит четыре логических элемента И‑НЕ такого типа.

Как емкость влияет на устойчивость генератора 

На первый взгляд может показаться, что медленно меняющиеся сигналы всегда приводят к нестабильной работе цифровых схем, но это не так. Например, в RC‑генераторах напряжение на конденсаторе может изменяться в течение секунд, тогда как время переключения инверторов на микросхемах CD4011BE или CD4001BE составляет наносекунды. Несмотря на такую разницу, подобные генераторы могут работать вполне устойчиво. Разберемся, почему в одних схемах медленные фронты не вызывают проблем, а в других приводят к дребезгу и ложным срабатываниям.

Важным элементом генератора на инверторах и RC‑цепочке, рассмотренном в курсе, является конденсатор большой емкости. Из‑за большой емкости он накапливает значительный электрический заряд, что обеспечивает длительные интервалы заряда и разряда через резистор. Однако большая емкость дает и другой эффект — она сглаживает случайные помехи и небольшие колебания напряжения на входе инвертора. Любые кратковременные наводки вызывают настолько малое изменение заряда конденсатора, что ими можно пренебречь. Это похоже на каплю воды, упавшую в полную бочку: общий уровень воды практически не изменится.

Однако если собрать генератор на тех же микросхемах, но уже с часовым кварцевым резонатором, как предлагалось в одном из роликов курса для повышения точности генерации, то можно столкнуться с описанным ранее эффектом дребезга.

У одних наших читателей такая схема работала нормально, а у других, в зависимости от производителя микросхем и кварцевых резонаторов, появлялся характерный «звон», вызывающий ложные срабатывания счетчика‑делителя частоты, стоящего после такого генератора. Причина в том, что емкость кварцевого резонатора очень мала, поэтому он практически не сглаживает помехи и паразитные колебания сигнала.

Мы исследовали два варианта генераторов: схему, аналогичную генератору на RC‑цепочке, и генератор по схеме Пирса. При тестировании выяснилось, что на микросхемах и кварцевых резонаторах разных производителей одни сочетания компонентов работали стабильно, а другие — нет. Причем это проявлялось в обеих схемах. В некоторых случаях приходилось даже встречаться и обмениваться компонентами, чтобы проверить различные комбинации на практике. Понятно, что подбор совместимых деталей «методом перебора» — далеко не лучший подход для решения подобных проблем.

Однако проблема исчезает, если использовать в генераторе на кварцевом резонаторе инверторы, сделанные на базе элементов И‑НЕ из микросхемы CD4093BE. Благодаря гистерезису в передаточной характеристике схема перестает реагировать на паразитные колебания и начинает работать стабильно и предсказуемо.

Этот разбор — лишь один из примеров того, как в реальных схемах проявляются эффекты, о которых редко пишут в учебниках. Если вы хотите разобраться в схемотехнике с нуля, понять, как работают транзисторы, логические элементы и генераторы, и научиться собирать устройства своими руками, присоединяйтесь к нашему открытому курсу по схемотехнике для начинающих.

А когда базовые знания будут освоены, можно сделать следующий шаг — в школу синтеза цифровых схем. Там вы научитесь проектировать цифровые схемы на языках описания аппаратуры и узнаете, как устроена разработка современных микросхем.