Триггеры

В большинстве импульсных устройствах приходится иметь дело, как правило, с двумя уровнями сигнала. Поэтому характерным для импульсной электроники является работа полупроводниковых приборов в ключевом режиме, рассмотренном нами на предыдущей лекции. Такой подход предоставляет возможность минимизировать рассеивае­мую в них мощность и, следовательно, использовать при изготов­лении методов гибридной и полупроводниковой технологий. По­следнее обстоятельство является главной причиной широкого использования устройств импульсной электроники, позволяющих разрабатывать на своей основе надежные, экономичные, малогабаритные системы, предназначенные для решения различных практических задач.

Триггер является типичным устройством импульсной электроники. Он обладает двумя длительно устойчивыми состояниями равновесия и способно под воздействием внешнего управляющего сигнала скачком переключаться из одного состояния в другое.

Триггеры на дискретных элементах применяют тогда, когда предъявляются специфические требования к временным или амплитудным параметрам импульсов. Схемы триггеров получают объединением двух транзисторных ключевых каскадов. Входы одного ключа соединены с выходами другого. Схемы различаются типом усилителя и способом организации ПОС. По организации ПОС различают транзисторные триггеры с коллекторно-базовыми связями и с эмиттерной связью.

_O E_п

R_k1 R_k2

R_б2 R_б2

^{· ·}

Т1 Т2

^· Из-за несимметричности транзисторов и неравности номиналов резисторов базовый ток, например, Т1 будет больше. Более быстрое открытие Т1 приведет к более быстрому падению напряжения на его коллекторе и, следовательно, на базе Т2, что в свою очередь приведет к его быстрому запиранию. Процесс носит лавинообразный характер, который закончится лишь с прекращением действия ПОС. Цепь ПОС размыкается, когда первый транзистор попадет в режим глубокой отсечки, а второй – в режим насыщения. Такое состояние триггера является устойчивым, и в нем схема будет находиться сколь угодно долго, при включенном питании. Вывести из этого состояния схему, можно подав отрицательный (запирающий) импульс на базы обоих транзисторов. Запертый транзистор Т2 не изменит своего состояния, а Т1 под действием импульса станет запираться, увеличивая напряжение U_k1. Это напряжение попадая на базу Т2, будет отпирать Т2. Наступит снова лавинообразный процесс, который закончится опрокидыванием схемы – Т1-закрыт, Т2-открыт. Новое состояние будет также устойчивым и сможет сохраняться сколь угодно долго. Реальная схема несколько сложнее и приведена на рис.3б.

На рис.3б приведена схема триггера с коллекторно-базовыми связями.

Триггер называется симметричным, если

R_к1= R_к2, R_б1= R_б2 , R_с1= R_с2, С1=С2. (1)

Схема имеет кроме основного источника питания еще один дополнительный Е_см. Для ускорения переходных процессов в базы транзисторов включены форсирующие RC цепочки.

Для обеспечения двух устойчивых состояний следует выполнить условие закрытия одного транзистора - |U_б|<U_пор и открытия другого – i_б>I_бнас.

· +Е_п

R_к1 R_к2

R_б2 R_б1

^· С2 С1 ^· VT1 VT2

R_cм1 R_см2

VD1 ^· -Е_см VD2

^· _·

u_у

Рис.3б.

u_у t_З

Т t

i_б1

t

i_б2

t

u_к1

Е_п

t

u_к2

Е_п

t

t₁ t₂ Рис.4

Чтобы перевести триггер из одного устойчивого состояния в другое следует подать внешнее управляющее напряжение в базовые или коллекторные цепи транзисторов. Подача управляющих напряжений может осуществляться раздельно на каждый транзистор, в этом случае говорят о разделенном запуске. В противном случае говорят об общем или счетном запуске. Схемная реализация общего запуска по базовым цепям приведена на рис.3б. Запуск триггера можно производить как открывающими, так и запирающими импульсами. Однако на практике чаще применяют вторые, т.к. в этом случае увеличивается быстродействие и уменьшается необходимая мощность для управляющего сигнала.

Поскольку в базы транзисторов включены укорачивающие RC цепи, на входе образуются импульсы разной полярности. Для устранения ложного срабатывания триггера цепь запуска содержит диод. Рассмотрим процессы переключения триггера с общим запуском. В схеме триггера рис.3 используется общий запуск запирающими (отрицательными) импульсами, которые подаются в базовые цепи транзисторов через диоды VDI и VD2. На рис. 4 показаны упрощенные временные диаграммы, поясняющие его работу.

Для надежного переключения триггера выбирают амплитуду и длительность u_у из условия запирания ранее включенного тран­зистора схемы. Если это условие выполнено, то на интервале t_з =t₂-t₁ оба транзистора оказываются закрытыми, а напряжения на конденсаторах не успевают измениться. Дальнейшие про­цессы в схеме определяются напряжениями на конденсаторах С1 и С2, которые кроме форсирования переключения транзисторов выполняют функции элементов памяти о предыдущем состоянии триггера. Пусть до поступления запускающего импульса транзистор VT2 заперт и U_{C l} » Е_п, a VTI открыт и U_{С 2} » 0. Именно поэтому отпирающий ток i_б1 очень мал, а ток i_б2 велик (»Е_п/R_к). Следовательно, VTI остается закрытым, а VT2 открывается. В схеме устанавливается новое устойчи­вое состояние. Скорость процесса определяется временем заряда конденсатора С2 от источника Е_n через резистор R_K1 и прямо смещенный эмиттерный переход транзистора VT2. Длительность этого процесса определяет фронт формируемого импульса и приблизительно равна:

t_ф =3R_к1C₂

В то же время, ранее заряженный конденсатор С1 разряжается, определяя время восстановления триггера:

t_вос = 3R_б2R_см2C₁ (R_б2 +R_см2)

Это время необходимо для подготовки схемы к очередному переключению. В реальных схемах обычно выполняется условие R_б >> R_к, R_см >>R_к Поэтому, t_вос << t_ф и период следования управляющих импульсов определяется условием Т>t_вос.

После прихода очередного запускающего импульса процессы в схеме повторяются. Транзистор VT2 перейдет в режим отсечки, a VT1 — в режим насыщения. Т.о. при счетном запуске каждый входной импульс изменяет состояние триггера на противоположное, и количество выходных импульсов будет в два раза меньше входных (см. рис.5). Следовательно, режим счетного запуска можно использовать для деления частоты входных импульсов.

Из временного анализа рис.4 можно сделать вывод, что надеж­ность переключения схемы во многом определяется длительно­стью импульса управления. С одной стороны, длительность t_з должна быть больше длительности выключения ранее насыщен­ного транзистора, иначе он не успеет запереться и переключение схемы не произойдет. С другой стороны, слишком большое t_з при­ведет к тому, что разность напряжений на конденсаторах С1 и С2 из-за их разряда через резисторы R_б1 и R_б2уменьшится, что может привести к потере памяти о предыдущем состоянии схемы. Поэтому емкости конденсаторов С1 и С2 необходимо увеличивать, но это приводит к снижению максимально допустимой частоты переключений триггера. Заметим, что эти требования к длительности t_з характерны только для общего запуска триггера. При раздельном запуске запирающими импульсами переклю­чение триггера происходит сразу после выключения ранее насыщенного транзистора (см. рис.6), а не после окончания t_з, что обеспечивает более высокую максимально допустимую частоту его переклю­чения.

u_вх t u_вх1 t u_к1 u_вх2 u_вых u_вых Рис.5 Рис.6

Дата добавления: 2014-01-05