И с независимым смещением

 

Наибольшее распространение получили триггеры, нелинейным элементом которых является многокаскадный ключ с положительной обратной связью. Если все каскады ключа выполнены по идентичным схемам и на идентичных элементах, то триггер называется симметричным, в противном случае – несимметричным.

Триггеры широко применяются в качестве электронных реле, элементов пересчетных ячеек, делителей частоты, формирователей прямоугольных импульсов и т. д. Триггеры должны отвечать следующим основным требованиям: обеспечивать бесперебойную работу при воздействии дестабилизирующих факторов (изменения температуры, влажности, напряжения питания и т.д.); обладать высокой помехоустойчивостью, быстродействием и чувствительностью к запускающим импульсам, а также высокой нагрузочной способностью.

Симметричный триггер на транзисторах с внешним источником напряжения смещения Е_б показан на рис.1.11. Триггер представляет собой двухкаскадный ключ с ОЭ, выход которого замкнут на вход. Связь между каскадами осуществляется с помощью резисторов R, включенных между коллекторами и базами смежных каскадов. Поэтому такой триггер часто называют триггером с коллекторно-базовыми связями. Ускоряющие конденсаторы С шунтируют резисторы R и предназначены для форсирования процессов переключения триггера.

Триггер имеет два состояния устойчивого равновесия: транзистор Т₁ насыщен, Т₂ заперт и наоборот.

Предположим, что в исходном состоянии транзистор Т₁ насыщен, а Т₂ – заперт. Насыщенный транзистор можно представить в виде эквипотенциальной точки, а запертый заменить генератором тока I_ко. Из чего следует, что запертое состояние транзистора Т₂ будет обеспечиваться положительным напряжением внешнего источника Е_б, которое через делитель R_бR приложено к базе транзистора Т₂. Насыщенное состояние транзистора Т₁ будет поддерживаться за счет выбора сопротивления резистора R такой величины, чтобы выполняясь условие насыщения транзистора, т. е. I_R » I_б1 і I_б.н.

После прихода на базу транзистора Т₁ запускающего импульса напряжения U_вх1 положительной полярности начинается переход триггера в другое состояние устойчивого равновесия. Переходный процесс зависит от многих факторов (параметров схемы, способа запуска, формы, амплитуды и длительности запускающих импульсов и т. д.). Остановимся на основных моментах процесса опрокидывания триггера. Условно этот процесс можно разбить на четыре этапа.

На прервем этапе под воздействием положительного импульса напряжения U_вх1 происходит рассасывание избыточных носителей в базе транзистора Т₁. Внешних изменений в схеме не наблюдается. Этап заканчивается выходом транзистора Т₁ из насыщения на границу активной области и восстановлением его усилительных свойств.

На втором этапе ток коллектора транзистора Т₁ под воздействием U_вх1 начинает уменьшаться, вызывая уменьшение (возрастание по абсолютной величине) коллекторного напряжения. Отрицательное приращение коллекторного напряжения Т₁ через цепочку RCпередается па базу Т₂. Когда указанное приращение компенсирует положительное напряжение смещения на базе Т₂, последний из запертого состояния перейдет на границу активной области и восстановит усилительные свойства. На этом второй этап заканчивается.

Первые два этапа составляют стадию подготовки триггера, и после их завершения оба транзистора работают в усилительном режиме. С этого момента начинается третий этап - этап регенерации, в течение которого происходит лавинообразное изменение токов и напряжений. Скорость регенерации обычно велика и ограничивается инерционностью транзисторов и паразитными емкостями. На этапе регенерации коллекторный ток Т₁ еще уменьшается, отрицательное приращение коллекторного напряжения Т₁ увеличивается и почти полностью проходит через конденсатор С на базу Т₂, вызывая его форсированное отпирание. Коллекторный ток Т₂ увеличивается, что приводит к увеличению коллекторного напряжения (уменьшению по абсолютной величине). Положительное приращение коллекторного напряжения через конденсатор С передается с коллектора Т₂ на базу Т₁. Происходит дальнейшее уменьшение коллекторного тока Т₁ и т. д. Этап регенерации заканчивается запиранием транзистора Т₁ и прекращением действия положительной обратной связи.

На четвертом этапе (восстановления) транзистор Т₂ насыщается и устанавливаются коллекторные напряжения транзисторов Т₁ и Т₂. Напряжение на коллекторе запирающегося транзистора стремится к величине - Е_к. Чтобы уменьшить время установления этого напряжения необходимо уменьшать постоянную времени t_с= CR_к. Напряжение на коллекторе насыщающегося транзистора Т₂ стремится к нулю. Триггер переходит в состояние устойчивого равновесия, при котором транзистор Т₁ заперт, а Т₂ насыщен. Для возвращения триггера в исходное состояние необходимо подать на базу транзистора Т₂ запускающий импульс напряжения U_вх2 положительной полярности.

Таким образом, при подаче двух запускающих импульсов на выходе триггера формируется прямоугольный импульс с длительностью, равной периоду повторения запускающих импульсов.

В том случае, когда применение дополнительного источника напряжения Е_б нежелательно, можно использовать триггер с автоматическим смещением. В такой схеме роль источника смещения Е_б выполняет напряжение U_э, создаваемое на сопротивлении автоматического смещения при протекании тока эмиттера.

Схемы запуска триггеров

 

Существует два способа запуска триггеров: раздельный и общий.

Раздельный запуск осуществляется подачей импульсов одной полярности поочередно на базы транзисторов (входы триггеров). Импульс, поданный на один из входов, устанавливает триггер в одно из устойчивых состояний. Импульс, подаваемый на другой вход, устанавливает триггер в противоположное устойчивое состояние. Схема триггера с раздельным запуском с подачей запускающих импульсов на базы через диоды показана на рис.1.12.

К элементам цепи запуска относятся диодыД₁ иД₂, конденсаторы и С_з1 и С_з2, резисторы R_з1 и R_з2. Пусть триггер находится в таком устойчивом состоянии, когда транзистор Т₁ открыт и насыщен, а транзистор Т₂ закрыт. На Вх₁ подается прямоугольный импульс. Он продифференцируется цепочкой R_з1С_з1 и из него сформируются два коротких импульса остроконечной формы противоположной полярности. Поскольку транзистор Т₁ открыт, потенциал его коллектора j_к1 низкий (0). Так как потенциал анода диода Д₁ примерно равен потенциалу коллектора (он меньше на небольшое значение падения напряжения на резисторе R_з1), диод Д₁будет находиться в проводящем состоянии и пропустит положительный импульс на базу. С приходом этого импульса в базу транзистор Т₁ начнет выхолить из насыщения, а транзистор Т₂ - из области отсечки. Когда оба они окажутся в активном режиме, петля положительной обратной связи замкнется и в схеме начнется лавинообразный процесс, в результате которого транзистор Т₁ закроется, а транзистор Т₂ откроется, (этот процесс переброса триггера был подробно рассмотрен ранее).

Такое состояние триггера будет сохраняться до тех пор, пока не поступит новый запускающий импульс на второй вход (Вх₂). Так как после перехода обоих транзисторов в активный режим процесс развивается за счет внутренних явлений, без участия запускающего импульса, цепь запуска после опрокидывания должна отключить триггер от генератора. Это обеспечивается следующим образом. На коллекторе закрывающегося транзистора Т₁ устанавливается высокий потенциал j_к1 » (-Е_к), поэтому и на аноде диода Д₁ имеется примерно такой же потенциал. Диод Д₁, находится в непроводящем состоянии и отключает Вх₁ от базы транзистора Т₁ (поэтому диоды Д₁ и Д₂ называют отсекающими ). До подачи следующего импульса конденсатор С_з1 разряжается через резистор R_з1.

Триггер с раздельным запуском называют RS-триггером. Он имеет пару входов и пару выходов. Входы, на которые подают запускающие импульсы, называют установочными и обозначают R и S. Буква S означает раздельный вход установки в состояние 1, буква R - раздельный вход установки в состояние 0. Выходы обозначают и .

Счетный запуск. При счетном запуске импульсы одной полярности подаются на общий вход триггера, и каждый из импульсов приводит к опрокидыванию триггера. Возможны два варианта подачи запускающего импульса: на коллекторы (рис.1.13,а) и на базы (рис.1.13,б) транзисторов.

Наиболее широко в режиме общего входа применяют диодные схемы коллекторного запуска триггера. Рассмотрим процессы, происходящие при коллекторном запуске импульсами положительной полярности (рис.1.13,а).

Пусть транзистор Т₁ насыщен, Т₂ заперт, а R_к1 = R_к2. В этом исходном состоянии диоды Д₁ и Д₂ заперты. Диод Д₁ заперт небольшим напряжением, равным напряжению на резисторе К_к2 и находится вблизи границы отпирания, так как напряжение на резисторе R_p практически равно нулю. Диод Д₂ находится в режиме глубокой отсечки. Он заперт напряжением, почти равным Е_к так как его анод, если представить насыщенный транзистор эквипотенциальной точкой, имеет потенциал корпуса.

При подаче на вход положительного импульса с амплитудой, меньшей Е_к и большей, чем напряжение на резисторе R_к2, диод Д₁ откроется и пропустит импульс только на коллектор запертого транзистора Т₂. Оттуда импульс положительной полярности через цепочку связи RC попадет на базу насыщенного транзистора Т₁, запирая его и опрокидывая триггер. Во время опрокидывания отпирается транзистор Т₂ и повышается напряжение на его коллекторе, в результате чего запирается диод Д₁ и отключается генератор запускающих импульсов. После опрокидывания триггера диод Д₂ будет находиться вблизи границы отпирания, а Д1 – в режиме глубокой отсечки. Процессы при поступлении следующего запускающего импульса аналогичны. Диоды Д₁ и Д₂ выполняют роль коммутирующих элементов ключей. При этом исключается одновременное воздействие импульсов на оба транзистора, вызывающее уменьшение быстродействия, а иногда и ненадежный запуск триггера.

Схема запуска триггера отрицательными импульсами отличается лишь полярностью включения диодов Д₁ н Д₂. Процессы в этой схеме протекают несколько иначе.

Пусть Т₁ насыщен, Т₂ заперт, а R_к1 = R_к2. В исходном состоянии диод Д₂ открыт, а Д₁ заперт. Открытое состояние диода Д₂ объясняется тем, что его катод находится под потенциалом корпуса, так как насыщенный транзистор Т₂ можно считать эквипотенциальной точкой. Диод Д₁ закрыт напряжением, близким к Е_к, так как потенциал его анода, если рассматривать открытый диод Д₂ и насыщенный транзистор Т₁ эквипотенциальной точкой равен потенциалу корпуса. Если на вход поступает отрицательный импульс с амплитудой, меньшей Е_к, то диод Д₁ остается закрытым, а открытый диод Д₂ пропускает импульс только на коллектор транзистора Т₁. С коллектора насыщенного транзистора Т₁ отрицательный импульс поступает на базу запертого транзистора Т₂, вызывая опрокидывание триггера.

Кроме описанных выше схем диодного коллекторного запуска, на практике применяется схема базового запуска с общим входом (рис.1.13,б). Здесь R₁ = R₂ = R и С₁ = С₂ = С.

В этой схеме исключается попадание запускающих импульсов в выходные (коллекторные) цепи триггера и затем на вход последующих устройств. Диоды Д₁ и Д₂ служат для отключения триггера от генератора импульсов в момент окончания запускающего импульса, а через диод Д осуществляется быстрый разряд конденсатора С_р после отключения генератора запуска.

Процесс запуска протекает следующим образом. Пусть Т₁ насыщен, а Т₂ заперт. Ускоряющий конденсатор С₁ практически разряжен, так как ток базы запертого транзистора Т₂ и, следовательно, напряжение на резисторе R₁ в исходном состоянии близко к нулю. Ускоряющий конденсатор С₂ заряжен до напряжения U_c2 = Е_кR/(R_к + R), равного напряжению на резисторе R₂. Диоды Д₁ и Д₂ заперты напряжением Е_см. Запускающий импульс положительной полярности открывает диоды Д₁, Д₂ и проходит на базы обоих транзисторов. Под действием этого импульса запертый транзистор Т₂ поддерживается в закрытом состоянии, насыщенный транзистор Т₁ запирается, после чего конденсатор С₁ заряжается на малую величину DU_С1 по цепи: U_вх – С_р – Д₂ – С₁ – R_к – (Е_к).

В момент окончания запускающего импульса оба транзистора оказываются запертыми, а затем за счет отрицательных напряжений, подаваемых на базы от источника Е_к, начинают открываться. Так как напряжение U_c2 больше, чем напряжение DU_с1, то и базовый ток транзистора Т₂ больше базового тока транзистора Т₁. В результате Т₁ запирается, а Т₂ насыщается, т. е. процесс опрокидывания протекает в том же направлении, что и в момент запуска.

Таким образом, ускоряющие конденсаторы при запуске с общим входом одновременно с форсированием процесса опрокидывания выполняют роль элементов, запоминающих состояние триггера. Поэтому эти конденсаторы в соответствии с их принципиально новым назначением называют иногда запоминающими. Применение таких конденсаторов в триггере с общим входом обязательно.

К недостаткам базового способа запуска следует отнести ухудшение быстродействия триггера, которое в этом случае в 1,5—2 раза меньше, чем в режиме раздельных входов.

На процесс опрокидывания триггера существенно влияет длительность запускающих импульсов. Если импульс, например, очень короткий; то за время его действия транзистор не успевает выйти из насыщения и триггер не опрокинется. Максимальная частота переключения триггера со счетным запуском примерно вдвое меньше, чем при раздельном запуске, поэтому раздельный запуск предпочтительнее. Триггер со счетным запуском называют Т-триггером (буквой Т обозначают счетный вход).

Были рассмотрены триггеры, имеющие один или два входа. Выпускают триггеры, имеющие три входа и более. На рис.1.14 показана одна из возможных схем универсального триггера, который называют JK-триггером. Он имеет пять входов: J, К, R, S и С. JK-триггер может работать как RS-триггер (если на входы подавать поочередно положительные импульсы) и как T-триггер (если вход J подсоединить к коллектору транзистора Т₁, а вход К – к коллектору транзистора Т₂). Таким образом, наличие входов J и К значительно расширяет возможности JK-триггера.

Триггеры могут быть построены на полевых транзисторах. Для этого используются те же основные принципы и схемы ключей, что в триггерах на биполярных транзисторах.

 

Мультивибраторы

Мультивибраторы относятся к генераторам релаксационного типа, у которых форма генерируемых колебаний резко отличается от синусоидальной, а длительность колебаний зависит от реактивных элементов (чаще конденсаторов), входящих в схему. Мультивибраторы широко применяются для получения импульсов напряжения прямоугольной формы и могут быть использованы в качестве задающих генераторов различных устройств промышленной электроники.

Наиболее часто для построения мультивибраторов применяются многокаскадные транзисторные ключи с положительной обратной связью, замкнутые в кольцо. В схемном отношении мультивибраторы отличаются от триггеров наличием времязадающих (хронируюцих) элементов, которые обычно состоят из конденсатора и сопротивления.

Мультивибраторы могут работать в одном из трех режимов: автоколебаний, ждущем (заторможенном) и синхронизации (деления частоты).

В режиме автоколебаний мультивибратор имеет два состояния квазиравновесия, во время которых в схеме происходят относительно медленные изменения токов и напряжений. Квазиравновесные состояния заканчиваются лавинообразными изменениями токов и напряжений - скачками в схеме. Таким образом, в этом режиме мультивибратор без воздействия внешних сил поочередно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое, т. е. является автогенератором. Параметры генерируемых импульсов (амплитуда длительность, частота повторения и т. д.) определяются только параметрами элементов схемы. К мультивибраторам в автоколебательном режиме предъявляется требование высокой стабильности частоты. Однако стабильность частоты мультивибраторов без применения специальных мер стабилизации сравнительно невысока. Относительная нестабильность частоты при воздействии дестабилизирующих факторов (колебаний температуры, напряжения питания и т. п.) достигает нескольких процентов.

В ждущем режиме одно состояние равновесия является устойчивым (исходное состояние), другое - квазиустойчивым. Перевод схемы в квазиустойчивое состояние осуществляется внешним запускающим импульсом, а возврат в исходное состояние происходит в результате внутренних процессов. Во время этого цикла генерируется один импульс, параметры которого определяются параметрами элементов схемы. При подаче на вход последовательности запускающих импульсов частота выходных импульсов равна частоте входных. Ждущий режим обычно используется для формирования импульсов заданной длительности и формы. Мультивибратор в ждущем режиме называют также одновибратором; запертым, заторможенным, ждущим мультивибратором; однотактным релаксатором; кипп-реле и некоторыми другими терминами. В дальнейшем мультивибратор в ждущем режиме будем называть одновибратором.

В режиме синхронизации на автоколебательный мультивибратор подается внешнее синхронизирующее напряжение (синусоидальное или импульсное). В результате этого частота повторения импульсов на выходе мультивибратора становится кратной частоте синхронизирующего напряжения.