3 ТРИГГЕРЫ

Триггеры предназначены для запоминания информации, придания искаженным помехами сигналам прямоугольной формы и т.д. Электронные схемы, содержащие элементы памяти, называют последовательностными.

Различают триггеры

–на транзисторах;

–на логических элементах;

–на туннельных диодах;

–на тиристорах;

–интегральные

–на двухбазовых диодах;

–на операционных усилителях и т.д. Выделяют

–RS–триггеры (простейшие триггеры, почти не применяются в виду их недостатков);

–JK–триггеры (применяются вместо RS–триггеров);

–D–триггеры (триггеры задержки);

–DV–триггеры и т.д.

Известны прозрачные и непрозрачные триггеры. Различают триггеры

–одноступенчатые;

–двухступенчатые или MS–триггеры (Master–Slave);

–шестиэлементные.

3.1 Триггеры на биполярных транзисторах

Триггеры такого типа в настоящее время практически не применяются, но они имеют учебное значение, строятся на двух инверторах. Электрическая принципиальная схема триггера на биполярных транзисторах изображена на рисунке 3.1. Вначале принимаем, что связи выход1-вход2 и выход2-вход1 отсутствуют. Каждый отдельный каскад – это инвертор.

108

Находят точки пересечения штриховых линий с характеристикой б, и из точек пересечения опускают перпендикуляры на вертикальную ось. Отсчитывают цифры вертикальной оси и откладывают на втором графике. По результатам отсчета строят характеристику рисунка 3.2, б. Из ее внешнего вида следует, что имеется гистерезис. Он является необходимым условием триггерного эффекта. На графике также видны две точки устойчивого равновесии 1 и 3, точка 2 – точка неустойчивого равновесия.

Желательно, чтобы точка 2 располагалась примерно на середине прямой 1–3 (рисунок 3.2, а), тогда гистерезис будет симметричен относительно вертикальной оси ХВЫХ, т. е. его “центр тяжести” будет уравновешен. Но можно сделать и так, как показано на рисунке 3.2, б.

Элементы триггерной схемы рассчитываются из следующих соображений:

1Выбираются транзисторы. На семействе выходных характеристик,

откладывается напряжение питания E0 (рисунок 3.3). Проводится нагрузочная прямая. Если необходимо максимальное усиление по мощности, то выбирается среднее положение; если необходимо максимальное усиление по току – ближе

квертикали; если необходимо усиление по напряжению – ближе к горизонтали. Выбранный наклон даёт цифру коллекторных резисторов, Rк1 и Rк2.

2Базовые токи рассчитываются приближенным образом по соотношению 1:10 для несоставных транзисторов и 1:100 для составных. Наиболее точным образом по семейству выходных характеристик в соответствии с разделом 1.3.2.

определяют Iбгр и Iб1 (рисунок 3.3). По этим величинам рассчитываются величины сопротивлений Rб1 и Rб2.

3Источники смещения Есм принимаются допустимыми для перехода Б – Э

взакрытом состоянии. Приближенное значение находится в диапазоне 0,2 ÷ 0,6 В.

4Rсм1, Rсм2 – смещающие резисторы. Принимаются не менее чем в 10 раз больше в сравнении с базовыми. Физический смысл заключается в том, что ответвление токов базовых резисторов в смещающие должно быть незначительным.

Форсирующие конденсаторы, которые включают параллельно базовым резисторам, рассчитывают по методике форсирующих ключей (раздел 1.9).

Триггеры могут работать без конденсаторов, но в этом случае форсирования (улучшение фронта) нет.

После включения напряжения питания один из транзисторов (например, VT1, рисунок 3.1) откроется, а другой (VT2) – остается закрытым. Какой из транзисторов будет открыт, определяется несимметрией схемы. При этом, так как VT2 закрыт, на его выходе высокий уровень (почти равный Е0). Образуется

цепь земля Э−Б VT1 Rб1 выс. уровенькол.VT2 Rk2 −E0 . Следовательно, VT1

открыт, на коллекторном электроде VT1 низкий уровень (“0”). Этот низкий уровень недостаточен для преодоления напряжения смещения Есм2, поэтому VT2 закрыт, на его выходе наблюдается высокий уровень (как и было принято).

Для опрокидывания триггера необходимо или закрыть VT1 (тогда откроется VT2), или открыть VT2 (тогда скачком закроется VT1).

110

Выделяют четыре этапа процесса переключения. Примем, что переключение производится путем закрывания открытого VT1. Процессы опрокидывания частично иллюстрируются рисунком 3.3.

1 Рассасывание неосновных носителей в базовой области. Открытый транзистор выходит к подножию, началу активной области, т.е. базовый ток Iб1 на линии насыщения убывает в направлении точки 1.

Рисунок 3.3 – Семейство выходных характеристик

2 Этап подготовки. Продолжающееся уменьшение базового тока, движение на интервале колена Iбгр (см. рисунок 3.3). В сущности, это небольшая область в окрестности точки 1. Пересекается граница между областью насыщения и активной областью. Второй этап называется подготовкой.

3 Этап регенерации. При дальнейшем уменьшении базового тока Iб2 рабочая точка из положения на границе переходит в положение Iб2, следовательно смещается по нагрузочной прямой от колена по стрелке (см. рисунок 3.3) и т. д. до полного закрывания, т. е. до выхода в точку 3, почти совпадающую с Е0.

Итак, на третьем этапе транзистор VT1 закрывается, VT2 в это же время открывается. Переключаются они одновременно, поэтому третий этап называется этапом регенерации, т. е. действием ПОС.

4. Четвертый этап – это VT1 закрыт, VT2 – открыт, но емкости (в том числе базовые конденсаторы), продолжают перезаряжаться до полного установления. Поэтому четвертый этап называют этапом установления. Этот этап занимает по времени большую часть процесса опрокидывания триггера.

По отношению к обратным связям (третьему этапу) требуются дополнительные пояснения, которые иллюстрируются рисунками 3.4, 3.5 и 3.6. Примем вначале обычный транзисторный каскад на VT и установим в его базовой цепи определенный ток смещения, обозначенный на рисунке 3.4 тонкой непрерывной горизонтальной линией. Этому току смещения соответствует напряжение Uб. Наложим на него два вида сигналов:

111

синусоидальный и импульсный. Здесь также изображены выходные синусоидальные и импульсные напряжения.

-E0

UбVT

-5 В

Рисунок 3.4 – Транзисторный каскад с наложением входных и выходных напряжений

Рисунок 3.5 – Нагрузочная прямая и рабочая точка на семействе выходных характеристик

1полупериод: транзистор подзакрывается, так как напряжение в 1 полупериоде идет в направлении горизонтали, то есть уменьшения базового тока. Напряжение на коллекторном электроде возрастает в отрицательной области.

2полупериод: все наоборот.

Из графиков видно, что это инвертор, фазовый сдвиг 1800 (нельзя утверждать, в какую сторону этот сдвиг, положительную или отрицательную). Это нереактивный сдвиг.

Подадим импульсный сигнал вместо синусоиды. Видно, что на выходе тоже инверсия, причем если достигаются уровни горизонтальной оси времени и уровни напряжения питания, то вершины и основания импульсов формируются нелинейностями: напряжением питания и нулем. Эти нелинейности называются

112

насыщением. В отличие от линий насыщения биполярного транзистора на семействе выходных характеристик, здесь принципиально другой смысл. В том случае, когда импульсы действуют в активной области, то вершины и основания не упираются в E0 и ось времени t , получаются формы вершины и

основания управляющего сигнала. Если условно принять третий этап соответствующим активной области, а на базовом электроде первого транзистора поместить синусоиду с первым положительным полупериодом, то на коллекторном электроде VT1 рисунка 3.1 первый полупериод будет отрицательный. На базе VT2 тоже отрицательный полупериод, на коллекторном электроде VT2 – положительный.

По сравнению с системами автоматического управления, которым присущи отрицательные обратные связи, в этой схеме действует положительная обратная связь, поэтому получаем « + ». « + » означает совпадение фаз входного и выходного напряжений. Положительная обратная связь может быть, если W не вносит фазового сдвига или вносит фазовый сдвиг 3600 или 3600 n, n = 2,3,..., как на рисунке 3.6.

xвх

xвых

Рисунок 3.6, а – Структурная схема системы управления с единичной положительной обратной связью, б – совпадение фаз входного и выходного сигналов при ПОС

Передаточная функция этой системы:

Минус в знаменателе означает положительную обратную связь (ПОС). Примем условно W =1 и будем увеличивать или уменьшать его. Если W <1,

то получаем электронную схему (систему управления) с устойчивым процессом усиления, регенеративным процессом.

113

Если W =1, то выражение будет стремиться к бесконечности. Это устойчивые процессы генерации непрерывных сигналов постоянных по уровню или синусоидальных сигналов, если W содержит в своем решении характеристического уравнения комплексные корни.

Если W >1, то это будет неустойчивый процесс. Такое устройство либо разрушается, либо упирается в насыщение.

У триггера именно это обстоятельство. На рисунке 3.7, точки 1 и 3 означают окончание взрывных электронных процессов, точка 1 – упор в нуль, точка 3 – упор в напряжение питания, точка 2 – неустойчивое равновесие.

Рисунок 3.7 – Точки устойчивого равновесия 1, 3; 2 – неустойчивого равновесия

Таким образом, в схеме триггера на коротких интервалах времени третьего этапа регенерации можно принять графики, представленные на рисунке 3.8. Первый график на базе транзистора VT1 схемы рисунка 3.1. Второй – на коллекторном электроде VT1 и на базе VT2. Третий – на коллекторном электроде VT2. Они подтверждают наличие ПОС, сигнал третьего графика по цепи обратной связи поступает на базу VT1 (рисунок 3.1), складывается с сигналом первого графика, так как они совпадают по фазе.

114

1

t

2

t

3

t

Рисунок 3.8 – Процессы в двухкаскадном усилителе (триггере)

Эти графики для синусоиды, но в схеме триггера имеют место импульсные процессы. Они подобны синусоидальным.

Перерисуем схему триггера рисунка 3.1 в более привычный вариант рисунка 3.9. Здесь почти все тоже самое, но два источника смещения заменены одним.

Рисунок 3.9 – Схема триггера с одним источником смещения

В электронике выделяют 2 вспомогательные цепи – дифференцирующую и интегрирующую, изображенные на рисунках 3.10 и 3.12.

115

Рисунок 3.10 – Дифференцирующая цепь

Дифференцирующая цепь (укорачивание). Ее передаточная функция имеет вид:

сопротивления выхода цепи к сумме всего сопротивления.

В частотной области предельный фазовый сдвиг +900. Но коэффициент передачи по мере роста частоты стремится к "1"; фронт прямоугольных импульсов на входе практически без изменений проходит на выход, потому что содержит высокочастотную составляющую спектра, а сопротивление емкости для высокочастотной составляющей почти "0", потому на выходе выделяется тот же фронт, что и на входе. Затем, вследствие действия вершины импульса, происходит заряд конденсатора … + –, на сколько зарядится конденсатор зависит от его величины, а также длительности импульса. Конденсатор малой емкости быстро заряжается, а большой – медленно. Предположим, что здесь средняя величина емкости. К концу действия входного импульса конденсатор заряжается полностью до напряжения уровня вершины, следовательно, зарядный ток почти нулевой, заряд происходит по экспоненте, поэтому на выходе напряжение убывает также по экспоненте, так как ток в резисторе равен нулю. В момент заднего фронта происходит разряд по цепи:

+ конденсатора слева → цепь источника сигнала → R → - конденсатора справа.

На выходе, на резисторе вначале фронт в отрицательной области (начало разряда конденсатора), затем по мере разряда по экспоненте напряжение стремится к нулю.

Из графика, изображенного на рисунке 3.10, видно, что есть укорачивание (если емкость меньше, то короче), поэтому цепь называется укорачивающей.

После преобразований получаем передаточную функцию укорачивающей цепи в следующем виде:

W(p) = 1+pRCpRC = 1+pTpT , где Т=RC.

Если перейти к частотной области, то имеем графики, изображенные на рисунке 3.11.

116