Глава 7. Триггерные устройства

7.1. Общие сведения

Триггером называют устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачком переходить из одного устойчивого состояния в другое. Триггеры используются в качестве генераторов прямоугольных импульсов, дискриминаторов, а также в цифровой технике (элемент памяти, элемент задержки). Они могут быть реализованы на дискретных компонентах, логических элементах и операционных усилителях.

7.2. Транзисторные симметричные триггеры

Симметричный триггер состоит из двух транзисторных ключей, охваченных положительной обратной связью (рис. 7.1).

	В общем случае в базовую цепь транзисторов включается источник смещения , который обеспечивает закрывание одного из транзисторов. Симметричным такой триггер называется потому, что элементы схемы, относящиеся к каждому транзистору, одинаковые.
Рис. 7.1

Устойчивым состоянием схемы является такое, при котором один транзистор (например, VT1) открыт и насыщен, а другой (VT2) закрыт. Действительно, оба транзистора не могут быть одновременно закрытыми, поскольку для этого необходимо, чтобы напряжение на базах было меньше напряжения открывания. При это условие не выполняется. Транзисторы не могут находиться одновременно и в режиме насыщения, так как падение напряжения на транзисторе (например,VT1) в насыщении с учетом напряжения источника смещения недостаточно, чтобы транзистор был также насыщен.

Теоретически в схеме возможно состояние неустойчивого равновесия, когда оба транзистора работают в активном режиме и через них протекают постоянные токи. Однако в этом состоянии схема не может находиться продолжительное время. Из-за неизбежных флуктуаций токов и напряжений триггер самопроизвольно перейдет в одно из устойчивых состояний. Случайное первоначальное изменение, например, коллекторного тока в результате процессов, протекающих в схеме, вызывает дальнейшее изменение этого тока на величину. Процесс изменения тока в схеме будет нарастать, если

. (7.1)

Полученное соотношение (7.1) определяет условие самовозбуждения схемы. При его выполнении в схеме протекают процессы, приводящие к закрыванию одного транзистора, насыщению другого и переходу триггера в одно из устойчивых состояний. В устойчивом состоянии условие (7.1) перестает выполняться, так как и в режиме насыщения, и в режиме отсечки транзистор теряет усилительные свойства ().

Определим условия, при которых триггер имеет два устойчивых состояния. Для этого рассмотрим эквивалентную схему триггера, находящегося в одном из устойчивых состояний, для случая, когда транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 находится в режиме отсечки (рис. 7.2).

	Транзистор VT1, находящийся в насыщении, заменен двумя источниками напряжения: и. Коллекторная и базовая цепи закрытого транзистораVT2 разомкнуты.
Рис. 7.2

Триггер находится в таком состоянии, если одновременно выполняются условия и.

Из рис. 7.2 следует, что , поэтому

. (7.2)

Так как

,

а

,

то

. (7.3)

Благодаря симметрии схемы условия (7.2), (7.3) обеспечивают реализацию и второго устойчивого состояния, когда VT1 закрыт, а VT2 насыщен.

В том случае, когда триггер реализован на кремниевых транзисторах, соотношение (7.2) выполняется и без источника смещения (), а с учетом того, что для таких транзисторовимеем

, .

Для триггера на германиевых транзисторах с учетом того, что , получим

, .

Переключение триггера из одного устойчивого состояния в другое в основном осуществляется по базовым цепям. Если запуск производится отрицательными импульсами, то их поочередно подают на базу того транзистора, который в данный момент насыщен.

Входные импульсы положительной полярности должны подаваться на базу закрытого транзистора. Такой способ запуска называется раздельным (рис. 7.3).
	Рис. 7.3

При рассмотрении процесса переключения триггера для определенности положим, что в исходном состоянии открыт транзистор VT1 и закрыт транзистор VT2. Коллекторные токи и напряжения транзисторов, соответствующие этому состоянию триггера, представлены на начальном участке временной диаграммы (рис. 7.4).

	В момент времени входной управляющий импульс напряжения отрицательной полярностипоступает на базу транзистораVT1 и начинается процесс рассасывания неосновных носителей. Этап рассасывания заканчивается в момент времени , когда транзисторVT1 переходит в активный режим. В интервале времени коллекторное напряжение, коллекторный ток, а следовательноине изменяются.
Рис. 7.4

Когда транзистор VT1 выходит из режима насыщения, начинают протекать процессы уменьшения коллекторного тока , роста коллекторного напряженияи связанный с ними процесс увеличения напряжения на базе закрытого транзистораVT2. В момент времени напряжение на базе транзистораVT2 достигает величины напряжения отпирания и в дальнейшем оба транзистора начинают работать в активном режиме. Интервал времени (,) называется этапом подготовки. Во время этого этапа коллекторные ток и напряжение транзистора не изменяются.

При работе транзисторов в активном режиме выполняется условие самовозбуждения (7.1) и в триггере развивается регенеративный процесс. Если пренебречь изменением напряжения на конденсаторах С₁ и С₂, то увеличение коллекторного напряжения закрывающегося транзистора VT1 будет приводить к росту базового и соответственно коллекторноготоков транзистораVT2, а также уменьшению . В свою очередь, снижение коллекторного напряжения транзистораVT2 вызовет уменьшение базового тока транзистораVT1, что приведет к дальнейшему уменьшению тока и увеличению коллекторного напряжения. Этот процесс закрывания транзистораVT1 и открывания транзистора VT2 развивается лавинообразно и заканчивается в момент времени , когда закрывается транзисторVT1. Следовательно, длительность входного сигнала должна удовлетворять условию . Таким образом, этап регенерации () характеризуется тем, что на закрывание открытого транзистора превалирующее влияние оказывают процессы, протекающие в самом триггере. Этап регенерации может отсутствовать, если входной сигнал имеет большую амплитуду. При таком условии транзисторVT1 закроется прежде, чем откроется транзистор VT2.

После закрывания транзистора VT1 в триггере протекает процесс установления постоянных токов и напряжений, соответствующих второму устойчивому состоянию. На этом этапе происходит зарядка конденсатора С₁ от источника питания Е через резистор R_к и базовую цепь транзистора VT2. В результате в интервале времени транзисторVT2 переходит в режим насыщения, а его базовый ток уменьшается, достигая стационарного значения , кроме того, по мере зарядки конденсатораС₁ повышается коллекторное напряжение транзистора VT1 до величины . Длительность этого процесса.

Когда транзистор VT2 оказывается в насыщении, начинается этап установления напряжения на базе транзистора VT1, связанный с разрядкой конденсатора С₂. Перед подачей входного импульса этот конденсатор заряжен до напряжения , равного коллекторному напряжению закрытого транзистораVT2. При переключении триггера напряжение на коллекторе транзистора VT2 уменьшается до и конденсаторС₂ разряжается с постоянной времени . Таким образом, пока в течение времени установленияконденсаторС₂ разряжается, напряжение на базе VT1 больше стационарного. Временное увеличение напряжения на базе закрытого транзистора называется динамическим смещением. После разрядки конденсатора С₂ процесс переключения триггера заканчивается. Следовательно, время переключения определяется соотношением .

На длительность процесса переключения оказывают влияние конденсаторы С₁ и С₂. С одной стороны, они фактически выполняют роль форсирующих конденсаторов, способствуя увеличению базовых токов включения и выключения транзисторов, что приводит к уменьшению времени переключения. С другой стороны, наличие их приводит к увеличению времени переключения, поскольку появляется стадия установления, длительность которой пропорциональна емкости этих конденсаторов. Поэтому емкости С₁ и С₂ выбирают по возможности малыми, но такими, чтобы за время напряжение на них изменялось незначительно. В противном случае их действие будет неэффективно.

Для переключения триггера в исходное устойчивое состояние необходимо подать закрывающий импульс напряжения на второй вход. минимальный интервал между входными импульсами, при котором триггер переходит из одного устойчивого состояния в другое, называется разрешающим временем , оно определяет максимальную частоту срабатывания триггера (быстродействие).

В рассмотренном триггере выходное напряжение можно снимать как с коллектора транзистораVT1, так и с коллектора транзистора VT2. В любом состоянии триггера эти напряжения различаются: если высокое, то низкое, и наоборот. Такие триггеры называются потенциальными или статическими, поскольку перемена статических состояний триггера проявляется в изменении уровня выходного сигнала. Обладая двумя устойчивыми состояниями, триггер может хранить продолжительное время информацию, и, следовательно, он обладает свойством памяти. Один вход триггера обозначают R (reset), а другой S (set). Различают прямой выход триггера (например,) и инверсный выход(). Как следует из изложенного, при подаче на входS сигнала единицы триггер устанавливается в состояние , а при подаче на входR сигнала единицы триггер переходит в состояние . Триггер с раздельными входами называютRS-триггером.

Триггер на дискретных компонентах может иметь один управляющий (счетный) вход, на который подаются импульсы отрицательной полярности (рис. 7.5). Собственно управляющую цепь образуют резисторы Rвх, R, конденсатор Cвх и диоды VD1, VD2.
	Рис. 7.5

Поскольку аноды диодов подключены к коллекторам транзисторов VT1 и VT2, такая схема триггера называется схемой запуска по коллекторным цепям.

При ее рассмотрении за исходное состояние примем: VT1 – открыт и насыщен, VT2 – закрыт. В отсутствие входных сигналов ток через резистор R не протекает (конденсатор C_вх заряжен до напряжения E) и падение напряжения на нем . Так как транзисторVT1 открыт, то и к диодуVD1 приложено высокое обратное напряжение . К диодуVD2 также приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на :, но так как, то.

Если на вход поступает сигнал отрицательной полярности , то диодVD2 открывается, а диод VD1 остается закрытым. В результате входной сигнал через открытый диод VD2 и конденсатор C₂ поступает на базу только открытого транзистора VT1. При этом в триггере под воздействием отрицательного импульса, приложенного к базе открытого транзистора, протекает процесс переключения в другое устойчивое состояние, аналогичный рассмотренному. По окончании переходного процесса транзистор VT2 переходит в режим насыщения, а транзистор VT1 закрывается. Изменяется и состояние диодов. Теперь уже к диоду VD2 приложено высокое обратное напряжение . Поэтому когда на вход схемы поступает следующий сигнал, то он через диодVD1 и конденсатор C₁ передается на базу открытого транзистора VT2 и закрывает его. В результате триггер переходит в исходное устойчивое состояние.

Таким образом, входная цепь обеспечивает передачу каждого входного запирающего импульса на базу того транзистора, который в данный момент открыт.

Из временной диаграммы (рис. 7.6) следует, что двум входным импульсам соответствует один выходной импульс. Следовательно, триггер при такой схеме запуска работает как счетный элемент с коэффициентом пересчета, равным двум.
	Рис. 7.6