30

Дополнительные разделы 20.05.10

1. Формирователи импульсных сигналов и генераторы на логических элементах

Ранее нами были рассмотрены генераторы и формирователи импульсных сигналов на биполярных и полевых транзисторах.

Применение логических элементов позволяет [42] сформировать подобные устройства с лучшими характеристиками и меньшими материальными затратами.

1.1. Особенности переключения реальных логических элементов

Ранее были рассмотрены релейные (пороговые) усилители, состояние которых или их выходной сигнал резко изменяются при достижении входным напряжением определенного значения (порога). Они применяются в цепях сигнализации, устройствах преобразования синусоидального или пилообразного напряжения в прямоугольное и т.п.

Схемы пороговых усилителей могут выполняться на основе транзисторов, тиристоров, операционных усилителей и т. п.

Основным элементом последовательностных устройств является триггерный элемент (ячейка) памяти, или просто, триггер. На основе триггера создаются устройства, в которых задается последовательность работы устройств управления – последовательностные логические устройства.

Триггер - это устройство типа компаратора, обладающего гистерезисом, с двумя устойчивыми состояниями. При отсутствии внешних воздействий триггер находит в одном из устойчивых состояний. Входной сигнал может перевести триггер из одного устойчивого состояния в другое. Триггеры могут выполнять функции реле, переключателей, элементов памяти; на их основе строятся счетчики, распределители и другие устройства.

Триггеры относятся к релейным (пороговым) усилителям, состояние которых или их выходной сигнал резко изменяются при достижении входным напряжением определенного значения (порога).

Одним из наиболее известных релейных усилителей является триггер Шмитта, который может выполнять различные логические функции.

Триггер Шмитта (ТШ) на основе транзисторов состоит из двухкаскадного усилителя, охваченного положительной обратной связью. Выходной сигнал логического элемента ТШ имеет крутые импульсные перепады, длительность которых не зависит от скорости нарастания или спада входного сигнала.

Передаточной характеристикой логического элемента называется зависимость выходного напряжения U_вых от входного U_вх.

На рис. 1 показаны схема триггера Шмитта на дискретных транзисторах и передаточная характеристика данного логического элемента, реализующего логическую функцию ″Повторение″.

а) б)

Рис. 1. Схема триггера Шмитта (а) и передаточная характеристика ЛЭ ″Повторение″(б)

Принцип его работы состоит в следующем. При отсутствии входного сигнала n-p-n-транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. Рассмотрим причину этого состояния. От источника питания +Е_к через два последовательно соединенных резистора R_к1 и R_б2 в базу VT2 поступает ток, поскольку за счет делителя напряжения на основе R_к1, R_б2, R_см2 на p-базе VT2 – положительный потенциал. Следовательно, через эмиттер и коллектор VT2 протекает большой ток, так что (за счет падения напряжения на R_к2) на выходе триггера минимальное напряжение U_вых = U_min (рис. 1, а), равное сумме падений напряжения на резисторе R_э и остаточного напряжения на транзисторе VT2. Потенциал в точке э₂ (а также идентично в точке Э₁) относительно земли положителен и равен _э1 = _э2 =U_Rэ = +I_э2R_э. Для дальнейшего анализа примем это значение, равным U_Rэ = 0,3 В.

Если входное напряжение равно нулю, то на базе VT1 в точке Б₁ потенциал _б1 равен нулю. Следовательно, р-база VT1 более отрицательна, чем его эмиттер и поэтому VT1 закрыт (обычно R_к1 > R_к2).

При появлении и увеличении входного напряжения U_вх схема остается в исходном состоянии до то момента, пока входное напряжение U_вх не достигнет величины U_сраб, равной U_сраб = U_Rэ + (0,3…0,4) В. Данное значение U_сраб связано с тем, что для уверенного открытия эмиттерного перехода VT1 (перевода из режима отсечки в активный режим и затем режим насыщения) величина потенциала в точке Б₁ должна быть на 0,30,4 В выше потенциала точки Э₁ (см. реальные входные характеристики схемы ОЭ). Другими словами, транзистор VT1 откроется, когда на его базе будет напряжение более чем U_сраб = 0,3+0,4= 0,7 В.

При этом напряжении U_вх = U_сраб появляется значительный базовый и, следовательно, коллекторный, токи транзистора VT1, поэтому уменьшаются базовый и коллекторный (и эмиттерный) токи транзистора VT2. Уменьшение тока эмиттера транзистора VT2 приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе R_э, т.е. U падает, несмотря на увеличение тока эмиттера транзистора VT1, так как R_к1 > R_к2. С уменьшением U значение напряжения на базе U_бэ1, равное разности (U_вх – U), увеличивается, что приводит к еще большему увеличению тока коллектора VT1. Процесс развивается лавинообразно и по его окончании транзистор VT1 оказывается открытым, а VT2 – закрытым. Выходное напряжение на VT2 становится равным U_вых = U_max  Е_к. Теперь через резистор R_э протекает ток эмиттера транзистора VT1, создавая на нем напряжение U₁ < U, которое поступает через резистор R_см2 на базу транзистора VT2 и удерживает его в закрытом состоянии.

Допустим, что мы уменьшаем входное напряжение от значения U_вх > U_сраб до нулевого значения. Если происходит уменьшение входного напряжения, то переход триггера в исходное состояние (отпускание) произойдет при напряжении U_отп = U₁ < U_сраб. Это связано с тем, что при закрытом VT2 потенциал точки Э₂ равен нулю: _э1 = _э2, поэтому для закрытия транзистора VT1 необходимо чтобы потенциал точки Б₁ был не выше (0,3…0,4) В. Другими словами, триггер переключится при напряжении отпускания U_отп менее 0,3 В.

Учитывая форму передаточной характеристики, говорят, что она носит гистерезисный характер, а разность напряжений U_гист = U_сраб – U_отп называют шириной петли гистерезиса.

Порогом срабатывания U_сраб называется минимальное напряжение на входе элемента, при котором исходный логический уровень на выходе изменяется на противоположный (рис. 1, б).

Порогом отпускания U_отп называется максимальное напряжение на входе элемента, при котором ранее установленный логический уровень на выходе изменяется на противоположный.

С учетом формы передаточной характеристики, очевидно, что схема, рассмотренная выше, реализует логическую функцию ″Повторение″.

В связи с вышесказанным, можно сказать, что логический элемент на основе триггера Шмитта имеет пороги срабатывания и отпускания, между которыми существует зона гистерезиса U_г = U_сраб − U_отп = 400 мВ. Эта зона симметрична относительно порогового напряжения обычного логического элемента (без гистерезиса), т.е. U_пор = (U_сраб + U_отп)/2 = 0,5 В.

В связи с этим говорится, что передаточная характеристика подобного ЛЭ имеет входной порог U_пор = 0,5 В при двух порогах срабатывания.