Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные и цифровые устройства. Конспект лекций. Учебное пособие
.pdf
сигналом
Е
R
E
R
R
U
(рис. 2.38), уровни которого обеспечивают как запирание
вх
транзистора, так и его полное отпирание.
При разомкнутом транзисторе входной ток, отбираемый от источника
, протекает через резистор
0
и конденсатор
1
С
, замыкается
1
обратно через выходное сопротивление схемы и равен
III
вх1RC
11
0
, (2.71)
что позволяет рассматривать схему как стабилизатор тока в нагрузке,
включенной в цепь обратной связи.
При постоянстве тока заряда напряжение на конденсаторе будет изменяться по линейному закону
Е
(при отрицательном значении
T
момент t =
:
п
UT
ut
вых
М
0
), достигая максимального значения в
0
RC
(2.72)
C
11
Е
0
. (2.73)
п
11
Из (2.72) следует, что скорость изменения выходного напряжения
постоянна в течение рабочего хода и коэффициент нелинейности практически равен нулю.
Обратный ход, как было отмечено выше, реализуется с помощью
транзисторного ключа VT1. Разряд конденсатора
тически до нулевого уровня, если длительность отпирающего
пульса не менее
(3...5)RC
21
.
С
происходит прак-
1
t
им-
и
2.3.5. АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ ГЛИН ТРЕУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ
Схема автоколебательного генератора треугольного напряжения при-
ведена на рис. 2.39, временные диаграммы в точках 1 и 2 – на рис. 2.40.
Схема генератора состоит из двух функциональных узлов: схемы
сравнения на ОУ (А1) и интегратора на ОУ (А2).
91
Пусть на выходе А1 имеет место максимальный уровень
М
R
М
U
, под
1
действием которого на выходе А2 формируется линейно падающее
напряжение, определяемое выражением
где
UUU
вых 1
U
– максимальное значение положительного уровня выходного
T
МТ M
t
, (2.74)
C
11
напряения (результат предыдущего этапа работы).
С
R
1
1A
1
R
2
R
4
3
R
3
1
2
2A
Uвых
Рис. 2.39
U
1
+
U
1М
0
–
U
1М
U
2
+
U
МТ
0
T
U
1М
T/2
U
МТ
t
t
1
2
t
t
–
U
МТ
Рис. 2.40
92
U
М
M
R
M
M
R
М
Сигналы
сопротивление
результирующий потенциал
U
и
1
3
поступают через резистор 2 и 4 на общее
вых
, где происходит суммирование по токам и создается
U
. В момент
3
tt
потенциал
1
U
3
стано-
вится равным нулю, что обеспечивает переключение схемы сравнения в
новое состояние, в котором потенциал U
UU
рицательное значение
конденсатор
С
перезаряжается в обратном направлении, а на выходе
1
11M
принимает максимальное от-
1
. Под действием этого потенциала
формируется линейно нарастающий участок выходного напряжения.
Как и в предыдущем случае, в момент
tt
потенциал
2
3
0U
и схема
сравнения вновь меняет свое состояние. Далее процесс повторяется.
Условие опрокидывания запишется в следующем виде:
UU
1
MT
24
. (2.75)
R
Амплитуда выходного напряжения равна
UUU
.
TMTMT
Изменение напряжения на конденсаторе
счет заряда его постоянным током
IU R
CM
С
на величину
1
/
за время T/2 выразится
11
2
U
за
T
соотношением
U
T
1
U
2
MT
M
. (2.76)
2
C
1
Подставляя (2.76) в (2.75), получим
R
4
TRC
R
2
. (2.77)
4
11
Таким образом, период колебаний не зависит от уровня напряже-
U
ния
.
1
93
Лекция № 12
3. ТРИГГЕРЫ
3.1. ТРИГГЕР НА ТРАНЗИСТОРНЫХ КЛЮЧАХ
Триггером называется электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями. У триггера обычно бывает два выхода, один из них
Q
) называется прямым, другой (Q) – инверсным. Одно устойчивое со-
(
стояние отвечает высокому уровню напряжения (U > 2,4 В) на выходе
Q
и низкому уровню напряжения (U < 0,4 В) на выходе Q. В электрон-
ной логике, как правило, считается, что высокий уровень напряжения
отвечает сигналу логической единицы, а низкий уровень – сигналу логического нуля. Пользуясь этой терминологией, можно записать, что
первое устойчивое состояние соответствует логическим переменным:
Q
Q = 1,
уровню напряжения на прямом выходе и высокому уровню – на инверсном, т. е. Q = 0,
яния в другое происходит не самопроизвольно, а только под действием
внешнего запускающего импульса.
Схема триггера изображена на рис. 3.1.
= 0. Второе состояние, наоборот, соответствует низкому
Q
= 1 . Переход триггера из одного устойчивого состо-
E
П
Uвх
R
C
З
3
VD1
А
кR
1
Q
С
1
R
1
VT1
R
1Б
С
2
кR
2
VD2
R
2
А
Q
VT2
R
2Б
Е
Б
Рис. 3.1
94
Этот триггер собран на дискретных элементах и представляет со-
R
R
Е
R
R
R
бой два транзисторных ключа на транзисторах VT1 и VT2 с перекрестными коллекторно-базовыми связями. Перекрестные связи осуществляются через сопротивления R1 и R2. Параллельно сопротивлениям
C
C
и
включены емкости
1
, которые служат для ускорения переклю-
2
чения триггера и не влияют не работу схемы в стационарных состояниях. В устойчивых состояниях один транзистор открыт, а другой –
закрыт (отсечка). Для того чтобы надежно запереть закрытый транзистор, в схеме, приведенной на рис. 3.1, используется цепь смещения,
в которую входят сопротивления
б1
и ЭДС смещения
б2
с обо-
б
,
значенной полярностью.
Выходные напряжения снимаются с коллекторов транзисторов.
Будем считать, что прямой выход триггера Q соответствует коллектору
Q
транзистора VT1, а инверсный выход
и VD2, сопротивление
и емкость
3
– коллектору VT2. Диоды VD1
C
образуют схему запуска триг-
3
гера, благодаря которой возможно переключение триггера из одного
устойчивого состояния в другое. Такая схема называется схемой совмещенного, или счетного, запуска.
Схема триггера обычно симметрична, поэтому в дальнейшем будем
пользоваться обозначениями:
RRCCC
к1 к2 к 12
RRR R R
12 б1 б2 б
3.1.1. СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ ТРИГГЕРА
При отсутствии запускающих сигналов (
,,
и .
U
) триггер находится в
вх
одном из стационарных состояний. В первом состоянии транзистор VT1
закрыт (отсечка), а транзистор VT2 открыт и работает в режиме насыщения, во втором состоянии открытый и закрытый транзисторы меняются местами. Покажем, что эти состояния устойчивы. Пусть VT2 нахо-
Q
дится в насыщении. Тогда на коллекторе VT2 (выходе
U
вается низкий уровень напряжения, равный
. Потенциал
кэн
) поддержи-
U
не
кэн
превышает ~ 0,2 В. Как следует из схемы рис. 3.1, потенциал на базе
транзистора VT1 окажется в диапазоне напряжений:
95
Е UU
бб1 кэн
,
причем
R
R
I
Е
R
Е
Е
Е
R
R
0Е
. Таким образом, на базу транзистора VT1 подается низ-
б
кий потенциал, и транзистор VT1 закрыт. Если VT1 закрыт, то через
сопротивление
течет сравнительно небольшой ток
к1
, по по-
к1
рядку величины равный базовому току транзистора VT2. Потенциал
коллектора VT1 равен
R
к
потенциал
U
К1
U
к1 пк1 к
окажется близким к
IR
. При выполнении условия
R
, т. е. напряжение вы-
п
(– )
хода Q будет соответствовать логической единице. Высокое напряже-
,RC
ние выхода Q через коллекторно-базовые связи (
) передается на
11
базу транзистора VT2, поддерживая этот транзистор в открытом состоянии.
Таким образом, благодаря коллекторно-базовым связям при закрытом состоянии транзистора VT1 транзистор VT2 будет открыт. Чтобы
транзистор VT2 был не просто открыт, а перешел в насыщение, необходимо выполнить условие
Е U
II
пбн
б2 бн
RR R
кк
U
пкн
,
и с учетом малости напряжений
R
венства
на сопротивления
к
U
U
кн
и
по сравнению с
бн
и R должно быть наложено до-
к
и нера-
п
полнительное ограничение
R
. (3.1)
R
к
Второе устойчивое состояние триггера осуществляется, когда транзистор VT2 находится в отсечке, а транзистор VT1 – в насыщении.
Итак, в любом из двух устойчивых состояний благодаря перекрестным коллекторно-базовым связям низкое напряжение на выходе насыщенного транзистора поддерживает второй транзистор в закрытом состоянии, а высокое напряжение на выходе закрытого
транзистора под-
держивает насыщенное состояние первого транзистора.
96
3.1.2. ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ТРИГГЕРА НА ТРАНЗИСТОРНЫХ КЛЮЧАХ
R
Е
Для переключения триггера из одного устойчивого состояния в другое необходима специальная схема запуска. Через схему запуска на базу
открытого транзистора подается импульс запирающей полярности, после чего этот транзистор начинает закрываться. При этом в схеме включается положительная обратная связь, действие которой приводит к
тому, что ранее открытый транзистор полностью
закрытый транзистор – открывается.
закрывается, а ранее
Можно переключить триггер несколько иначе, подав отпирающий
импульс на закрытый транзистор. Однако этот способ не используется,
так как он более медленный и требует больших затрат энергии на переключение. Дело в том, что у закрытого транзистора высокое входное сопротивление, поэтому нужно подать извне значительный ток, чтобы открыть этот транзистор
.
Существуют схемы раздельного и совмещенного запуска. При раздельном запуске запускающие импульсы подаются раздельно на базы
транзисторов. Такой запуск работает наиболее надежно, менее всего
критичен к режиму питания, параметрам транзисторов и цепи запуска.
Частота сигналов на входе и выходе одинакова. Раздельный запуск широко используется для установки триггера в исходное
состояние, при
котором определенный транзистор находится в запертом состоянии.
При совместном (счетном) запуске входной сигнал одновременно
подается на базы транзисторов. Если подаются короткие отрицательные
импульсы, в базе открытого транзистора возникает запирающий ток,
происходит рассасывание заряда, запирание транзистора и опрокидыва-
ние триггера, так как
UU
вых вх
. Очень сильный запирающий ток не-
желателен, так как могут закрыться оба транзистора, пока не кончится
входной импульс. Частота выходных импульсов при счетном запуске
в два раза ниже частоты запускающих импульсов.
Рассмотрим схему коллекторного счетного запуска, изображенную
на рис. 3.1. Запускающие импульсы отрицательной полярности пода-
U
ются на клемму
. Будем считать, что до момента подачи запускаю-
вх
щего импульса транзистор VT1 был закрыт, а VT2 – открыт.
До запуска диоды VD1 и VD2 закрыты, через сопротивление цепи
запуска
вен
ток не течет. Это означает, что потенциал точек А ра-
з
.
п
97
Если до запуска транзистор VT1 находился в отсечке, то обратное
Е
Е
R
R
Е
напряжение на диоде VD1 близко к нулю, так как потенциал коллектора
закрытого транзистора близок к
ное напряжение на диоде VD2 составляет |
, т. е. к потенциалу точки А. Обрат-
п
U
пкн
|, т. е. сравнительно
велико; диод VD2 закрыт сильнее.
Пусть теперь на клемму
UЕ
вх п
. Напряжение на конденсаторе
венно, поэтому потенциал точек А понизится на величину |
U
подан импульс напряжения, так что
вх
C
не может измениться мгно-
з
U
|.
вх
При этом откроется диод VD1. Диод VD2 по-прежнему будет закрыт.
Потенциал коллектора VT1 понизится, это понижение потенциала пере-
,RC
дастся через параллельную цепочку (
этот транзистор начнет закрываться. Ток через сопротивление
) на базу транзистора VT2, и
11
к2
уменьшится, и потенциал коллектора VT2 повысится. Это увеличение
потенциала передастся на базу транзистора VT1, который начнет откры-
ваться. Ток через резистор
увеличится, что приведет к еще боль-
к1
шему уменьшению потенциала коллектора VT1. Замкнется цепь положительной обратной связи, в результате действия которой триггер переключается: транзистор VT1 переходит в состояние насыщения, а транзистор VT2 закрывается.
Следует отметить, что после подачи импульса запуска происходит
C
заряд емкости
чек А возвращается к значению
. После окончания заряда этой емкости потенциал то-
з
.
п
Следующий запускающий импульс откроет диод VD2, при этом
опять произойдет переключение триггера, на этот раз из состояния
Q = 0 в состояние Q = 1.
3.1.3. РОЛЬ ЕМКОСТЕЙ С1 И С2 ПРИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ ТРИГГЕРА
C
Форсирующие емкости
C
и
1
, с одной стороны, ускоряют пере-
2
ключение транзисторов, с другой стороны, они затягивают фронт нарастания выходного импульса.
Ускорение переключения транзисторов происходит по той же причине, что и в транзисторных ключах. Сопротивление параллельных це-
,RC
почек (
) и (
11
,RC
) на высоких частотах существенно ниже, чем
22
98
сопротивление резисторов
R
R
Е
R
К
t
и
1
. Соответственно при быстрых изме-
2
нениях напряжения в схеме базовые токи транзисторов оказываются
C
C
и
больше, если в схеме присутствуют емкости
1
. Большие базовые
2
токи позволяют быстрее накопить неравновесные заряды в базе транзистора, если этот транзистор переходит в насыщение, и быстрее вывести
неравновесный заряд из базы, если транзистор закрывается. Следовательно, переключение транзисторов происходит быстрее при наличии
ускоряющих емкостей.
После того как транзистор (например, VT2) закрылся, заряд емко-
C
сти
всё еще продолжается. Емкость заряжается по цепи
2
C
→
к2
22 к2
→ база-эмиттер VT1 → «земля» с постоянной времени
2
||CR R . Напряжение на коллекторе VT2 устанавливается с той
→ →
п
же скоростью, и
3tRС . (3.2)
фк22
Чтобы не сильно затягивать фронт выходного импульса, емкости не
должны быть слишком большими. Обычно выбираются конденсаторы с
емкостью порядка нескольких нанофарад.
Временные диаграммы напряжения на выходах триггера при подаче
U
прямоугольных запускающих импульсов
U
ВХ
изображены на рис. 3.2.
вх
t
U
А
Е
П
0
Q
Е
П
U
КН
Q
Е
П
U
Н
t
t
Рис. 3.2
99
Одновременно с зарядом емкости
R
Е
R
R
R
R
E
R
Емкость
ление
→
11 б2
C
разряжается по двум параллельным цепям: через сопротив-
1
и через цепь
1
б2
→
C
1
→
б
||CR R . Длительность этого процесса, называемого временем вос-
C
→ коллектор-эмиттер VT1 → «земля» →
1
. Процесс разряда происходит с постоянной времени
C
происходит разряд емкости
2
C
1
становления и необходимого для подготовки триггера к следующему
переключению, можно оценить выражением
RR
1 б2
3
t С
вос 1
1 б2
. (3.3)
R
При оценке постоянных времени принято, что входным и выходным
сопротивлениями насыщенного транзистора можно пренебречь.
В реальных схемах обычно выполняются условия
R
бк
. Поэтому, как правило,
tt , и минимальный период сле-
фвос
R и
1, 2 к
дования управляющих импульсов определяется условием
Т t
min вос
.
Переход транзисторов в открытое состояние происходит практически мгновенно, так как ток через соответствующие сопротивления
коллекторной цепи устанавливается сразу после того, как откроется
транзистор.
Как видно из рис. 3.2, переключение триггера происходит по отрицательному фронту запускающего импульса; частота переключений
триггера в два раза меньше частоты запускающих импульсов. Таким образом,
триггер делит частоту запускающих импульсов на два. Это свой-
ство триггеров используется в счетчиках в цифровой технике.
.
3.2. ТРИГГЕР С АВТОМАТИЧЕСКИМ СМЕЩЕНИЕМ
В таком триггере (рис. 3.3) в качестве источника запирающего
напряжения
которое создается на резисторе
используется напряжение автоматического смещения,
б
, шунтируемом конденсатором
э
С
,
э
устраняющим отрицательную обратную связь, которая может возникнуть вследствие несимметрии схемы.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]