Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

Как видно из структурной схемы триггера на логических элементах (см. рис. 5.4), он представляет собой систему, в которой выход одного инвертора подключается ко входу другого, благодаря чему система оказывается охваченной положительной обратной связью. В стационарном режиме равновесные состояния такой системы можно определить при помощи переключательных характеристик логических элементов. Поскольку в триггере вход каждого логического элемента подключен к выходу другого, то их входные и выходные напряжения оказываются связанными равенствами

Поэтому состояния равновесия триггера определяются как точки пересечения переключательных характеристик логических элементов, построенных в системе координат в соответствии с (5.1).

На рис. 5.5 показаны построенные указанным способом переключательные характеристики логических элементов, образующих триггер.

Рис. 5.5. Переключательные характеристики логических элементов, образующих триггер

Как видно из этих характеристик, в стационарном режиме триггер имеет три состояния равновесия, соответствующие точкам 1–3. В точке 1 инвертор первого элемента закрыт, поэтому петля регенеративной обратной связи оказывается разомкнутой. Очевидно, что при этом триггер находится в состоянии устойчивого равновесия. В таком же состоянии оказывается триггер в равновесной точ-

261

ке 2, когда запирается инвертор второго элемента. Что же касается равновесного состояния, соответствующего точке 3, то параметры схемы следует выбирать так, чтобы это состояние было неустойчивым. Так как в этом состоянии оказываются открытыми инверторы обоих элементов, то в системе действует положительная обратная связь, которая становится регенеративной, если коэффициент усиления по петле обратной связи больше единицы. В неустановившемся режиме в триггере реализуется еще и четвертое состояние равновесия. Оно имеет место тогда, когда одновременно оказываются закрытыми инверторы обоих элементов. Это состояние также является неустойчивым.

Таким образом, триггер имеет четыре состояния равновесия, два из которых должны быть устойчивыми, а два – неустойчивыми. В первых двух состояниях триггер может находиться сколь угодно долго, тогда как в последних двух – только в течение сравнительно коротких промежутков времени. Очевидно, что только при наличии двух устойчивых состояний возможен триггерный переброс, заключающийся в переходе системы из одного состояния равновесия в другое в виде скачкообразного изменения напряжений и токов. Из одного устойчивого состояния равновесия в другое триггер переходит под воздействием внешнего спускового сигнала, причем только в том случае, когда амплитуда спускового сигнала достигает порога срабатывания триггера.

Указанные состояния равновесия могут быть реализованы только при соответствующем подборе параметров логических элементов. Из графиков на рис. 5.5 следует, что устойчивые состояния равновесия возможны только при одновременном выполнении следующих неравенств:

Это необходимое условие, но не всегда достаточное, поэтому его следует дополнить еще неравенствами, обеспечивающими работу логических элементов в области ограничения тока при переходе триггера в состояние устойчивого равновесия. Это условие можно записать в виде

262

Можно показать, что при выполнении условий (5.2) и (5.3) равновесное состояние триггера, соответствующее точке 3, оказывается неустойчивым. Характерной особенностью этого состояния является то, что инверторы обоих элементов работают в активной области, поэтому петля положительной обратной связи оказывается замкнутой. При выполнении условий (5.2) и (5.3) коэффициент усиления по петле обратной связи становится больше единицы, поэтому в триггере действует регенеративная обратная связь, обеспечивающая неустойчивое состояние триггера. При выполнении (5.2) исключается возможность реализации в стационарном режиме равновесного состояния, при котором одновременно закрытыми оказываются инверторы обоих элементов. Следовательно, если возникнет такое состояние в неустановившемся режиме, то оно также оказывается неустойчивым.

Таким образом, условия (5.2) и (5.3) являются необходимыми и достаточными для того, чтобы реализовать триггер по структурным схемам, приведенным на рис. 5.4.

Выполнение (5.2) и (5.3) необходимо также для обеспечения требуемой помехоустойчивости триггера. Поэтому предельные

значения напряжений Uвх.от, Uвх.гр, Uвых1 и Uвых0 обычно лимитиру-

Uпом0 = Uвх.от – Uвых0 ;

Uпом1 = Uвых1 – Uвх.гр.

Помехоустойчивость триггера связана с его нагрузочной способностью.

К триггеру всегда подключается определенная нагрузка. По характеру воздействия нагрузка может быть статической и динамической. Статическая нагрузка действует постоянно, тогда как заметное воздействие динамической нагрузки сохраняется в течение ограниченного промежутка времени, например в течение длительности тактового импульса. Динамическую нагрузку часто называют импульсной.

Нагрузку характеризуют ее сопротивлением или потребляемым током. Обычно при импульсной нагрузке определяют наименьшее

263

сопротивление или наибольший ток нагрузки, так как нарушения нормальной работы триггера возможны при наибольшей нагрузке.

На практике встречаются два варианта подключения нагрузки к триггеру: параллельно элементу1 R на выходе инвертора (рис. 5.6,а) и последовательно (рис. 5.6,б). Параллельно выходу триггера подключаются элементы ДТЛ и ТТЛ. Элементы РТЛ, РЕТЛ, ЭСЛ, И2Л, а также логические элементы на МДП-структурах представляют собой примеры последовательной нагрузки.

Рис. 5.6. Параллельное (а) и последовательное (б) подключение нагрузочных элементов к входу триггера

При параллельном включении нагрузки уменьшается сопротивление выходной цепи нагруженного инвертора. Если инвертор находится в проводящем состоянии, то уменьшение сопротивления приводит к увеличению тока выходного транзистора. При этом повышается выходной потенциал Uвых0 , поэтому снижается помехо-

устойчивость Uпом0 для логического 0. Одновременно возрастает

напряжение Uвх.гр, поэтому уменьшается и Uпом1 . Наибольшая на-

грузка лимитируется током, при котором транзистор выходит из насыщения или крутой области характеристики, так как потенциал Uвых0 повышается настолько, что перестает выполняться неравен-

ство (5.2). При этом отпирается второй инвертор, и триггерный режим работы нарушается. Параллельная нагрузка обычно не нарушает триггерного режима работы, когда инвертор закрыт. Шунти-

1 Этот элемент может быть резистором и транзисторной структурой (как, например, в МДП-элементах).

264

рование нагрузкой выходной цепи закрытого инвертора приводит к незначительному изменению потенциала Uвых1 , что не сказывается

на работе триггера.

Действие последовательной нагрузки (рис. 5.6,б) равносильно уменьшению напряжения питания и сопротивления на выходе нагруженного элемента в 1 + R/Rн раз;

Еи.п.экв = Еи.пRн/(Rн + R); Rэкв = RRн/(Rн + R).

При этом поскольку имеет место одинаковое уменьшение напряжения питания и сопротивления, то выходной ток открытого инвертора, шунтированного нагрузкой, практически не меняется.

Однако существенно меняется выходной потенциал Uвых1 нагруженного инвертора в закрытом состоянии, что приводит к уменьшению помехоустойчивости Uпом1 для логической 1. При чрезмер-

ной нагрузке Uвых1 настолько уменьшается, что перестает выполняться условие (5.3), и триггерное состояние не реализуется.

Вбыстродействующих системах помехоустойчивость лимитируется не нагрузочной способностью триггера, а его быстродействием, которое определяется продолжительностью переходного процесса при перебросе триггера.

Вобщем случае переходный процесс в триггере проходит в три стадии: подготовки, регенерации и восстановления.

Стадия подготовки начинается с момента подачи спускового сигнала и длится до момента, когда начинается либо стадия регенерации, либо стадия восстановления.

Стадия регенерации начинается с момента, когда оба инвертора начинают работать в активной области, и кончается, когда один из них либо переходит в область отсечки (т. е. закрывается), либо начинает работать в режиме ограничения выходного тока. В течение этой стадии в триггере действует положительная обратная связь регенеративного характера. Сигнал обратной связи, циркулируя по замкнутой петле, приводит к лавинообразному изменению токов и напряжений. Когда один из инверторов закрывается или начинает работать в режиме ограничения выходного тока, петля обратной связи размыкается и регенерация прекращается.

265

На стадии восстановления, которая наступает после переброса триггера, происходит установление напряжений и токов до уровней, соответствующих новому равновесному состоянию. При запуске триггера слабыми сигналами стадия восстановления наступает после стадии регенерации. На практике стадии восстановления часто предшествует стадия подготовки. При этом стадия регенерации вообще не наступает, так как спусковой сигнал оказывается настолько сильным, что под его воздействием один из инверторов успевает закрыться до того, как второй откроется. Поэтому петля обратной связи остается разомкнутой.

Характер и продолжительность переходного процесса в значительной степени определяются инерционностью транзисторов и паразитными емкостями. Скорость переброса триггера зависит и от условий запуска, т. е. от амплитуды, скорости изменения и длительности спускового импульса, внутреннего сопротивления и схемы подключения источника сигналов.

Взависимости от вида запуска триггер может работать в двух существенно различающихся режимах: спусковом и счетном.

Вспусковом режиме входной сигнал действует только на один из инверторов. Такой режим работы обычно обеспечивается схемой управления триггера, при помощи которой спусковой сигнал направляется на вход только одного инвертора.

При работе в счетном режиме спусковой сигнал одновременно действует на оба инвертора. При поступлении каждого спускового импульса происходит переброс триггера и число перебросов оказывается равным числу импульсов, поэтому такой режим называется счетным.

Следует различать указанные режимы работы от способов запуска триггерной системы (ТС). Возможны запуски по раздельным входам и по объединенному (общему) входу. Спусковой режим работы возможен при запуске по раздельным входам триггера, когда спусковой импульс, перебрасывающий триггер, поступает только на один из входов. Раздельный запуск широко применяется также при обработке информации схемой управления. Запуск по объединенному входу применяется для работы триггера в счетном режиме. При этом спусковой импульс поступает на оба входа триг-

266

гера. Запуск по объединенному входу применяется также в схеме управления, например при подаче тактовых импульсов. На практике встречается счетный режим работы с управляемым запуском, когда спусковые импульсы, поступающие одновременно на оба входа, оказывают воздействие только на один из инверторов.

Количественно продолжительность переходных процессов в триггере характеризуется теми же величинами, что и в логическом элементе, т. е. временами перехода t1,0тр и tтр0,1 , задержками включе-

ния t1,0зд.тр и выключения tзд0,1.тр , временами задержки распространения сигнала t1,0зд.р.тр и tзд0,1.р.тр .

Суммарное время задержки в ТС складывается из времени задержки собственно триггера и времени задержки логических элементов в схеме управления триггера.

Важным динамическим параметром триггера является его быстродействие, которое определяется продолжительностью временного интервала Тпер, прошедшего от момента подачи спускового импульса до момента установления потенциала на том выходе, на котором переходный процесс завершается последним. Наибольшая частота переброса триггера рассчитывается по формуле

Fнаиб = 1 .

Тпер

Внастоящее время промышленность выпускает отдельные серии цифровых ИМС, содержащие все элементы, которые необходимы для функциональной полноты серии. В серию цифровых ИМС наряду с логическими элементами входят также интегральные ТС. Обычно в серии цифровых ИМС имеется несколько ТС разных типов, обеспечивающих выполнение самых разнообразных функций. В последующих параграфах на конкретных примерах рассмотрены особенности интегральных ТС.

Всхемах, которые приводятся далее, вход тактовых импульсов отмечен буквой С (синхронизация), входы для предварительной установки 1 и 0 соответственно буквами PS и CL (от английских слов present — предварительная установка, clear — сбрасывание).

267

5.2. Триггерные системы и их классификация

Запись информации в триггер обычно производится через схему управления триггером. Совокупность триггера и схемы управления и составляет ТС.

На рис. 5.7 показана структурная схема ТС. В этой схеме собственно триггер выполняет функции запоминающего элемента (элемента памяти) для хранения информации. С помощью схемы управления необходимая информация в виде сигналов передается со входов Х1, Х2, …, Хт на входы триггера R' и S', по которым он устанавливается в соответствующее состояние. Управление триггером может быть тактируемым (синхронным) и асинхронным. При тактируемом управлении ТС содержит дополнительный вход С для подачи тактовых импульсов, которые через определенные временные интервалы разрешают схеме управления передавать информацию в триггер. При асинхронном управлении вход С отсутствует.

Рис. 5.7. Структурная схема триггерной системы

Выходы триггера Q и Q часто связаны со схемой управления

обратными связями.

Схема управления предназначена для переработки запоминаемой информации и записи ее в триггер. Очевидно, что такое устройство можно построить на логических элементах в соответствии с той функцией, которую должна выполнять схема управления.

По способу входной информации ТС делятся на асинхронные и тактируемые (синхронные).

В асинхронной ТС в любой момент времени информация на входах однозначно определяет соответствующее состояние тригге-

268

ра. При изменении информации на входе по истечении переходных процессов это изменение воспринимается триггером.

Тактируемые ТС содержат дополнительный вход С (см. рис. 5.7) для тактовых (синхронизирующих) импульсов с периодом Т. Входная информация поступает либо во время действия тактового импульса, либо после его окончания.

Взависимости от способа управления тактовыми импульсами различают ТС, управляемые по уровню, фронтом или срезом тактовых импульсов и состоящие из главного и вспомогательного триггеров.

Втактируемых ТС, управляемых по уровню, входная информация действует на ТС только в течение действия тактовых импульсов. В таких системах можно связать выходы со входами. Они могут работать друг на друга в последовательной цепочке и т.д. Однако в ряде устройств все это возможно при одном условии: длительность тактового импульса должна быть меньше времени переключения триггера. В противном случае ТС может генерировать или переключаться несколько раз в течение воздействия одного и того же тактового импульса. Для предотвращения генерации или многократных переключений необходимо, чтобы действие тактового импульса прекращалось раньше, чем в триггере установится новое устойчивое состояние равновесия. Следовательно, длительность тактовых импульсов необходимо выбирать меньше суммарного времени задержки триггера. Однако длительность тактового импульса должна быть достаточной, чтобы обеспечить надежное переключение триггера. Так как эти ограничения на длительность тактового импульса необходимо выполнять с учетом реальных допусков, разброса и изменения параметров элементов ИМС, при их реализации обычно сталкиваются с непреодолимыми противоречиями.

Втактируемых ТС, управляемых фронтом или срезом тактового импульса, информация поступает в триггер в момент резкого изменения амплитуды тактового импульса, т.е. во время воздействия фронта или среза тактового импульса.

Наиболее распространенными триггерами данного типа в дискретной электронике являются триггеры, у которых схема управле-

269

ния дифференцирует перепад напряжения на тактовом входе, тем самым укорачивая импульс. В таких ТС укорочение импульса осуществляется при помощи простой дифференцирующей цепи, содержащей конденсатор. Так как конденсаторы в интегральном исполнении занимают значительную площадь, то в ИМС формирование коротких импульсов в момент появления перепада напряжения часто производят при помощи логических элементов с использованием их времени задержки. Сами логические элементы управляются фронтом или срезом тактовых импульсов. Длительность укороченных импульсов получается достаточной для передачи входной информации в триггер, но меньше полного времени переключения триггера. Благодаря этому после окончания укороченных импульсов входы схемы управления оказываются заблокированными, и информация на входе уже не действует на собственно триггер.

В триггерах с управлением фронтом или срезом можно связывать выходы с входами, они также могут работать друг на друга без опасности генерации или сбоя. Фронт и срез тактового сигнала могут быть сравнительно пологими. Помехоустойчивость триггеров с управлением фронтом (срезом) выше, чем у триггеров, управляемых по уровню, так как в первом случае помеха может оказать воздействие только за короткий интервал времени (в течение которого действует укороченный тактовый импульс), а во втором — за все время действия тактового импульса.

Тактируемые ТС, называемые MS-триггерами, содержат два триггера: главный (master) и вспомогательный (slave). Каждый из этих бистабильных триггеров имеет свою схему управления, работающую от серии тактовых импульсов, одна из которых является инверсией другой. Главный триггер выполняет основную логическую функцию, а вспомогательный предназначен для последующего запоминания состояния ТС, выходами которой являются выходы вспомогательного триггера. Оба триггера управляются по уровню тактового импульса. Управляющая связь между ними осуществляется тремя способами:

•с инверсией тактового импульса;

•с блокировкой входов вспомогательного триггера сигналами со схемы управления главного триггера;

270