книги из ГПНТБ / Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник

4

Т р и г г е р ы

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Триггером называют спусковое устройство, которое может нео­ граниченно долго находиться в одном из двух состояний устойчи­ вого равновесия и переходить из одного в другое скачком всякий раз, когда воздействующее на его вход управляющее напряжение е достигает некоторых фиксированных пороговых уровней еі и ео.

Зависимость выходного напряжения иВЫх триггера от входного, управляющего, напряжения е показана на рис. 4.1а. Нижняя А'А и верхняя В'В ветви характеристики «вых = /(е) соответствуют двум устойчивым состояниям равновесия триггера, а точки А и В — пороговым значениям управляющего напряжения. На падающем участке ВА, где крутизна характеристики отрицательна, состояние равновесия системы, как известно, неустойчиво.

При возрастании напряжения е (по нижней ветви А'А) выход­ ное напряжение мВых остается постоянным и равным U0 до мо­

240

мента, когда управляющее напряжение достигнет порогового значе­ ния еь при котором напряжение «Вых скачком изменяется до нового значения U1 и остается равным ему при дальнейшем росте е. Если теперь уменьшать е, то ивых будет оставаться неизменным до мо­ мента, когда управляющее напряжение достигнет второго поро­ гового значения ео, при котором «вых скачком перейдет в исходное состояние устойчивого равновесия Ѵ°; ширина петли гистерезиса — напряжение еі — ео, называемое напряжением гистерезиса, — яв­ ляется во многих случаях важной характеристикой триггера.

Итак, выходное напряжение триггера может иметь в стацио­ нарном режиме либо низкое (U0), либо высокое (U‘) значение; триггеры, в которых состояния равновесия характеризуются уров­ нями выходного постоянного напряжения (потенциала) называют­ ся потенциальными (или статическими); именно такие триггеры рассматриваются в настоящей главе.

Состояние триггера, в котором напряжение (U!) на его выходе высокое, можно обозначить цифрой 1, а состояние триггера, в ко­ тором напряжение на его выходе низкое (U0) — цифрой 0 (можно, конечно, принять обратное кодирование).

Обычно триггер наряду с основным, прямым., выходом Q (по­ тенциал которого определяет состояние триггера) имеет еще один выход Р — инверсный, потенциал которого имеет значение, обрат­

Управляющий сигнал может иметь форму непрерывно изме­ няющегося напряжения или перепада напряжения (потенциала) или короткого импульса. Но во всех случаях, независимо от формы управляющего сигнала, выходное напряжение имеет вид перепадов напряжения: U*, £/°; в качестве примера на рис. 4.1 показаны воз­ действие непрерывного управляющего напряжения e(t) и вид вы­ ходного напряжения триг­

гера, показано на рис. 4.2а. При раздельном запуске управляющие (запускающие) сигналы (например, короткие импульсы) посту­ пают на два входа триггера от двух источников; при поступлении управляющего сигнала на вход 5 (вход «Set», установка «1») триг­ гер устанавливается в состояние 1 (т. е. Q = 1, Р = 0), а при по­ ступлении управляющего сигнала на вход R (вход «Reset» уста­

241

новки «О», «сброса») триггер устанавливается в состояние 0 (т. е.

Другими словами, при раздельном запуске триггер срабаты­ вает от каждого входного сигнала только тогда, когда они посту­ пают на входы 5 и R, чередуясь во времени.

Условное изображение триггера с общим (счетным) запуском (или с общим входом), так называемого Т-триггера, показано на рис. 4.26. При общем (счетном) запуске управляющие сигналы по­ ступают на один общий вход Г-триггера и при этом триггер сра­ батывает от каждого сигнала, т. е. каждый входной сигнал дол­ жен изменить состояние триггера на противоположное (если, например, к моменту поступления входного сигнала триггер находился в состоянии 1: Q = 1, Р = 0, то после воздействия сиг­ нала триггер переключается в состояние 0:Q = 0, Р — 1).

На практике применяются триггеры с более сложным управ­ лением, например ^Г-триггер (рис. 4.2б), т. е. триггер со счетным и установочными входами и др.; логика работы различных типов триггеров рассматривается в разд. 4.8—4.12 в связи с изучением триггеров на интегральных схемах. ■

Для построения триггеров могут быть использованы приборы, характеристики которых содержат участки отрицательной крутиз­ ны (например, туннельные диоды, тиристоры, газоразрядные лам­ пы и т. д.); однако наиболее широко применяются триггеры, основ­ ными элементами которых являются рассматриваемые в гл. 2 ключи на дискретных и интегральных компонентах. Принципы по­ строения и функционирования этих триггеров изучаются в настоя­ щей главе; в гл. 9 рассматриваются триггеры на туннельных дио­ дах и тйристорах.

4.2. СИММЕТРИЧНЫЕ ТРИГГЕРЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ. СТАТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ

4.2.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСЛОВИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Схема симметричного триггера на плоскостных транзисторах типа р-п-р с резистивными связями приведена на рис. 4.3. Схема образована соединением выхода одного резисторно-транзисторного ключа со входом другого и выхода последнего со входом первого; нетрудно видеть, что ту же схему можно представить двухкаскад­ ным резисторным усилителем, замкнутым в петлю положительной обратной связи.

В схеме рис. 4.3, в принципе, возможно состояние электриче­ ского равновесия, при котором оба транзистора Ті и Т2 открыты (работают в активном режиме), токи ік і и ік 2 равны друг другу и все напряжения в схеме постоянны. Однако это состояние яв­ ляется неустойчивым. Если предположить, что коэффициент пет­

242

левого усиления Ко двухкаскадного усилителя, замкнутого в петлю положительной обратной связи, превышает единицу: Ко > 1, то любое изменение токов и напряжений приведет к возникновению лавинообразного, регенеративного процесса нарастания тока од­ ного транзистора и убывания тока другого. Например, увеличение коллекторного тока ік 1 приведет к увеличению (уменьшению по абсолютной величине) коллекторного напряжения ик , транзистора

дальнейшее увеличение ік у (наличие в схеме ускоряющих конден­ саторов С1, С2 приводит, как показано в разд. 4.3, к ускорению регенеративного процесса). Регенеративный процесс изменения то­ ков и напряжений будет продолжаться до тех пор, пока не прекра­ тится действие положительной обратной связи. Это возможно при запирании одного транзистора (в нашем примере Т2) или насыще­ нии другого (Ту). В обоих случаях в схеме установится устойчи­ вое равновесие.

Параметры схемы можно выбрать так, чтобы в стационарном состоянии равновесия один из транзисторов был бы заперт, а дру­ гой— открыт и насыщен (в этом случае триггер называется насы­ щенным). Таким образом, триггер обладает двумя устойчивыми— состояниями равновесия: в одном Ту — открыт и насыщен, Т2 заперт, во втором — наоборот.

Переход триггера из одного устойчивого состояния в другое, т. е. опрокидывание, или переключение его, осуществляется бла­ годаря воздействию внешнего управляющего (запускающего) на­ пряжения (тока). Это напряжение (ток) может быть введено, на­ пример, в цепь базы одного из транзисторов. Нетрудно убедиться

(т. е. произведение коэффициентов усиления каскадов на транзи­ сторах Ту и Т2 больше единицы), имеет вид гистерезисной петли (см. рис. 4.1 а). Поэтому как только управляющее напряжение до­ стигнет порогового уровня, схема скачком перейдет из одного устойчивого состояния в другое. Если, например, управляющее на­ пряжение введено в цепь базы запертого транзистора Т2, то как только это напряжение достигнет уровня, при котором Т2 откроет­ ся, появится коллекторный ток ік2, уменьшится ток is ь транзистор Ту перейдет в активный режим, будет, следовательно, восстанов­ лена петля положительной обратной связи и возникающий при этом регенеративный, лавинообразный процесс изменения токов и напряжений приведет к опрокидыванию схемы: транзистор Ту за­ пирается, транзистор Т2 отпирается и насыщается.

В результате опрокидывания на коллекторах транзисторов соз­ даются положительные и отрицательные перепады токов и напря­ жений, которые можно использовать для управления другими триг­ герами или различными ключевыми схемами.

2 «

Амплитуда Um выходного перепада напряжения равна измене­ нию напряжения на коллекторе транзистора в результате опроки­ дывания: Um — I Икз— ик от I, где ик от — коллекторное напряжение открытого транзистора, в насыщенном триггере иК0Т = икп', «кз— коллекторное напряжение запертого транзистора:

W|<3== ß _j_ ß ( AR ~t“ До-Як “I“ ГГбц),

«Gn — напряжение на базе насыщенного транзистора. В насы­ щенных триггерах на германиевых транзисторах обычно |ггкы| <С < 1икз| и |ыбн|<-Ек и поэтому

Для обеспечения статических режимов, т. е. двух указанных устойчивых состояний, должны быть выполнены условия запира­ ния одного транзистора « б з^ - Unop (или Поз-^^пор для транзистора типа п-р-п), и насыщения другого г’б ^/б и (^п о р — по-прежнему по­ роговый уровень отпирания транзистора, / бП— насыщающий ток базы транзистора). Для рассматриваемой схемы эти условия, как показано в параграфе 2.2.3, принимают вид неравенств (2.73) и

1+ |,_ё7 Ж

Необходимо отметить, что если параметры схемы выбраны так, что условия обеспечения устойчивых состояний выполняются, го автоматически выполняется и условие /Со 1. Действительно, если пренебречь входным сопротивлением открытого транзистора, то­ ком /ко и не учитывать зависимость параметров транзистора от ре­

Очевидно, что если выполняются условия (4.2), то тем более будет выполнено условие (4.2а).

244

4.2.2. ВЛИЯНИЕ НАГРУЗКИ

Подключение нагрузки может нарушить стабильность триггера по постоянному току, т. е. устойчивость стационарных состояний. Действительно, подключение нагрузки приводит к изменению экви­ валентного сопротивления коллекторной цепи, что, в свою очередь, вызывает изменение коллекторного тока и напряжения; это изме­ нение влияет на степень насыщения включенного транзистора и запас надежности по запиранию.

На рис. 4.3 пунктиром показано подключение нагрузки к од­ ному плечу триггера — параллельно резистору Ru(Rn i) или парал­

ки заданы, то нетрудно найти RK.

Когда транзистор Т2 заперт, нагрузка RBі практически не влия­ ет на его режим; однако при этом несколько увеличивается ток базы другого транзистора Ті, так как несколько увеличивается со­ ставляющая этого тока: вместо Дк/(^ к + R) она становится равной

Е М + Ю-

Если Rn I — коммутируемая нагрузка, подключаемая только в моменты запирания Т2, то ее влиянием на статические режимы триг­ гера можно пренебречь.

Пусть нагрузка RH2 включается параллельно транзистору Т2. Когда Т2 открыт и насыщен, нагрузка практически не влияет на режим, так как выходное сопротивление транзистора в режиме на­ сыщения весьма мало. Когда Т2 закрыт, подключение нагрузки приводит к уменьшению напряжения на коллекторе, и поэтому уменьшаются амплитуда выходного перепада и ток базы іб і тран­

зистора Т\.

Действительно, включение RB 2 можно учесть, согласно теореме об эквивалентном генераторе, заменой коллекторной цепи питания

245..

(Як, Ri;) на эквивалентную: E,к э к о

Поэтому амплитуда перепада напряжения почти равна ЕКВКЪ<.ЕК

Полученные выше соотношения остаются справедливыми при включении в оба плеча триггера одинаковых нагрузок.

Для уменьшения влияния нагрузки в триггерах применяются ключи с фиксацией коллекторного напряжения закрытого тран-

4.2.3. ТРИГГЕРЫ С АВТОМАТИЧЕСКИМ СМЕЩЕНИЕМ

Помимо основной схемы (рис. 4.3) и схемы с диодами, фикси­ рующими потенциал коллектора закрытого транзистора (рис. 4.4), на практике применяется и схема с автоматическим смещением (рис. 4.5), которое создается за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении Дэ открытого транзистора. Условия работо­ способности (а также методика расчета) триггера с автоматиче­ ским смещением такие же, как для триггера с внешним смеще­ нием, если принять (рис. 4.5) эквивалентные напряжения питания

предполагается, что открытый транзистор находится в режиме на-

246 '

Емкость выбирается достаточно большой, чтобы'за время опроки­ дывания напряжение смещения практически оставалось неизмен­ ным. Достоинством описанного триггера является отсутствие от­ дельного источника смещения. Однако он обладает рядом недостатков по сравнению с триггером с внешним смещением: схема

Из сказанного следует, что в устройствах, использующих боль­ шое число триггеров, более выгодным является применение общегодля всех схем внешнего источника смещения.

4.3. СИММЕТРИЧНЫЕ ТРИГГЕРЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

4.3.1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ТРИГГЕРА

Предварительные замечания

Переключение триггера запускающим импульсом происходит не мгновенно, а в течение конечного промежутка времени вследствие инерционности транзисторов и наличия паразитных емкостей. Ха­ рактер и длительность переходного процесса переключения зави­ сят от параметров и структуры схемы триггера, а также от спо­ соба запуска (раздельного или общего), схемы цепи запуска, фор­ мы, амплитуды и длительности запускающих импульсов.

Исследование переходного процесса в различных режимах пе­ реключения триггера является задачей сложной и громоздкой. Поэтому рассмотрим лишь качественную сторону процессов и по­ лучим (при упрощающих предположениях) приближенные коли­ чественные оценки быстродействия триггера для случая раздель­ ного запуска.

Предположим, что схема запускается импульсами тока /вх прямоугольной формы, причем Івх — сильный сигнал (генератор тока показан пунктиром на рис. 4.3); будем также пренебрегать

247

относительно малыми величинами — напряжениями «ІШ, «бп на электродах насыщенного транзистора и токами коллектора /кз и базы /бз закрытого транзистора.

ра Т\. Во время рассасывания напряжения и токи в схеме триггера (кроме тока г’б,} остаются неизменными.

248

Этап подготовки

С момента t = t\ начинают убывать коллекторный ток ік \ и убывать (возрастать по абсолютной величине) коллекторное на­ пряжение и« I транзистора Ть С уменьшением Ии і падает и напря­ жение Нс 2 на базе транзистора Т2 (благодаря тому, что напряже­ ние на ускоряющем конденсаторе С2 в течение рассматриваемого малого интервала времени практически не меняется, спад напря­ жения Иб2 равен спаду напряжения пкі).

В момент t2, по истечении интервала tn, напряжение Иб2 на базе транзистора Т2 достигает порогового уровня ІІ5эз отпирания; этот уровень на рис. 4.6 принят равным нулю.

Величину интервала, tп можно оценить, исходя из следующих со­ ображений: за время tn напряжение «б 2 уменьшается на величину Мбз («бз — обратное напряжение на запертом транзисторе); следо­ вательно, и напряжение икі должно уменьшаться на эту величину,

импульса уменьшается не только длительность рассасывания tp, но и интервал подготовки tn\ последний также уменьшается с умень­

Этап регенерации

С момента t2 оба транзистора оказываются в активном режиме,, восстанавливается петля положительной обратной связи и в схеме возникает регенеративный лавинообразный процесс опрокидыва­ ния (запирания транзистора Тх и отпирания Т2). Если считать, что напряжения на ускоряющих конденсаторах Си С2 в течение ко­ роткого интервала регенерации ^рег остаются неизменными, и учесть, что входное сопротивление открытого транзистора много

практически к равным им по абсолютной величине изменениям токов баз г'б2 и ібі соответственно. Уменьшение г'щ вызывает рост прямого (положительного) тока ів 2, что, в свою очередь, приводит к более сильному опрокидыванию Tz— к росту ік2; последнее при­ водит к росту обратного (отрицательного) тока і'б і и, следователь­ но, к дальнейшему спаду тока іи і.

Заметим, что при сделанных предположениях коэффициент пет­ левого усиления по току во время регенеративного процесса

249-