Применение схем пассивной логики. Триггеры и генераторы.

Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния, у которого переход из одного состояния в другое происходит вследствие некоторого регенеративного процесса.

Регенеративным процессом называют переходный процесс в электрической цепи, охваченный положительной обратной связью с петлевым усилением , действующей в широком диапазоне частот, который характеризуется резкими изменениями токов и напряжений на элементах цепи.

Рассмотрим принцип работы симметричного триггера на транзисторах n-p-n типа.

Схема представляет собой два усилителя по схеме с ОЭ, где выход одного усилителя соединен со входом другого. В результате такого объединения усилителей реализуется положительная обратная связь.

В приведенной схеме возможно состояние электрического равновесия, при котором оба транзистора открыты и находятся в активном режиме. В этом случае токи и равны между собой и падения напряжений на элементах схемы не изменяются. Однако, такое состояние является весьма не устойчивым и любые флуктуации тока или напряжения приведут к лавинообразному процессу нарастания тока одного транзистора и убыванию тока другого транзистора. Например, увеличение тока приведет к уменьшению напряжения транзистора . Это, в свою очередь приведет к уменьшению напряжения и тока транзистора . Последнее вызовет уменьшение коллекторного тока и увеличение и , что приведет к ещё большему росту тока базы и току коллектора транзистора . Процесс носит лавинообразный характер и продолжается до тех пор пока не прекратится действие положительной обратной связи, т.е. когда закроется транзистор . После этого триггер перейдет в устойчивое состояние равновесия.

Триггер собран из двух транзисторных ключей и также может быть как насыщенным так и ненасыщенным, в зависимости от режимов работы транзисторов.

В состоянии устойчивого равновесия триггер может находиться сколь угодно долго, пока не поступит управляющий сигнал на базу одного из транзисторов. Если управляющий сигнал поступает на базу запертого транзистора, и достигает уровня отпирания , то токи базы и коллектора этого транзистора возрастают, и он переходит в открытое состояние. Второй транзистор при этом закрывается. Процесс переключения триггера из одного состояния в другое называется также опрокидыванием.

Конденсаторы и в этой схеме являются ускоряющими. Они также играют роль элементов памяти о предыдущем состоянии триггера.

Работу триггера можно рассматривать, представив его в виде двух логических элементов:

При выполнении триггерных схем процесс их проектирования сводится к разработке схем соединения логических элементов. Большое число комбинаций возможных внешних комбинаций логических элементов привело к созданию большого количества триггерных элементов.

На рисунке изображен RS-триггер.

Несимметричные триггеры.

Несимметричные триггеры также называют триггерами Шмидта. По своим свойствам они существенно отличаются от симметричных триггеров, так как у них нет элементов памяти о предыдущем состоянии.

Несимметричный триггер – это регенеративное устройство, имеющее гистерезисную передаточную характеристику, у которой выходной сигнал может принимать два значения. Переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно при определенном значения входного напряжения – напряжении срабатывания. Подобные устройства используются когда нужно формировать резкий перепад напряжения при сравнительно медленно изменяющемся сигнале, а также для защиты от дребезга в цифровой технике.

Рассмотрим работу триггера Шмидта.

Пусть транзистор открыт и насыщен, а транзистор закрыт. В режиме насыщения падение напряжения на близко к нулю и через него протекает ток, который создаст на резисторе некоторое падение напряжения, которое обеспечивает надежное запирание транзистора .

При подаче входного напряжения транзистор откроется в тот момент, когда напряжение на его БЭ переходе станет равным пороговому. Отпирание транзистора приводит к увеличению тока через резистор и повышению падения напряжения на нем. Соответственно потенциалы коллектора и базы уменьшаются, выводя из насыщения в активный режим. Возникает регенерация. Уменьшение тока через транзистор приводит к уменьшению напряжения на эмиттере , что приводит к увеличению напряжения на его БЭ переходе. Последнее приводит к дальнейшему увеличению тока базы и дальнейшему снижению потенциала его коллектора. Процесс идет лавинообразно и транзистор попадает в область отсечки, а насыщается. Напряжение, при котором происходит опрокидывание триггера, называется напряжением срабатывания или порогом срабатывания. Если теперь уменьшать входное напряжение, то опрокидывание триггера происходит не в точке , а при несколько меньшем напряжении , называемом напряжением отпускания.

Параметры схемы выбираются так, чтобы ток транзистора в насыщении был больше тока насыщения транзистора , . Вследствие этого падение напряжения на резисторе при насыщенном транзисторе будет больше, чем при насыщенном состоянии транзистора .

Передаточная характеристика триггера Шмидта для идеального источника напряжения входного сигнала :

Триггеры Шмидта выпускаются в виде самостоятельных микросхем серий 155 и 564 (К155ТЛ1, К564ТЛ1). В их входную цепь зачастую включается логический элемент И, расширяющий функциональные возможности. На рисунке показана структура микросхемы К564ТЛ1.

Интегральные триггеры Шмидта устанавливаются перед логическими элементами, когда приходится работать с длительными фронтами импульсов, обеспечивая большую крутизну нарастания сигналов и защищая ЛЭ от помех.

Генераторы импульсов на логических элементах. Мультивибраторы.

При построении генераторов на основе цифровых интегральных схем, используются усилительные свойства логических инверторов. Поэтому для обеспечения устойчивых колебаний необходимо вывести ЛЭ на линейный участок передаточной характеристики – участок между логическим нулем и единицей. После этого остается ввести положительную ОС по напряжению с помощью конденсаторов.

На рисунке показана схема простого генератора импульсов на двух логических элементах 2И-НЕ.

Резистор используют для ограничения тока через защитные диоды ЛЭ. Сопротивление для ТТЛ элементов выбирают обычно в диапазоне 0.2…2 кОм, для КМОП – десятки и сотни кОм.

Относительно большие входные токи ТТЛ-инверторов препятствуют увеличению сопротивления резистора обратной связи. Поэтому для получения низкочастотных импульсов приходится применять большие емкости С. Для снижения емкости можно дополнить входной инвертор мультивибратора эмиттерным повторителем, как это показано на рис.

В эмиттерной цепи транзистора следует применить резистор . В КМОП схемах . Представленные здесь схемы являются одними из многих вариантов реализации генераторов на логических элементах.

На рисунке ниже показан одно вибратор, построенный на ИС.

Одновибратором или ждущим мультивибратором называют устройство, вырабатывающее одиночный импульс по одиночному перепаду входного сигнала.

Изображенная схема формирователя импульсов, длительность которых определяется временем одновременного действия единичных сигналов на втором логическом элементе. Это время складывается из времени задержки прохождения сигналов через схему логического умножения (первый логический элемент) и времени задержки, определяемой величиной RC.

Представленные здесь схемы генераторов и одновибраторов реализуются на пассивной логике К155ЛА3. Промышленностью также выпускаются готовые генераторы в виде интегральных микросхем, например К155АГ1.

7