Триггеры на биполярных транзисторах

Триггеры такого типа в настоящее время практически не применяются, но они имеют учебное значение, строятся на двух инверторах. Электрическая принципиальная схема триггера на биполярных транзисторах изображена на рисунке 3.1. Вначале принимаем, что связи выход1–вход2 и выход2–вход1 отсутствуют. Каждый отдельный каскад – это инвертор.

Рисунок 3.1 – Триггер на биполярных транзисторах

Источники смещения введены для того, чтобы закрыть транзисторы, тогда на выходах одновременно будут высокие уровни (“1”). Если соединить выходы со входами (вх1–вых2, вх2–вых1) и подать напряжение питания, то в схеме образуется триггерный эффект, на одном из выходов будет “0”, а на другом “1”. Таким образом, для построения триггера необходимо:

– положительная ОС (она здесь образуется, так как присутствуют два каскада, два инвертора, каждый из которых дает фазовый сдвиг 180°, а в итоге 360°);

– гистерезис, (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Гистерезис

Должно быть, именно такое расположение характеристик как показано на рисунке 3.2, где б – соответственно усилительная характеристика двух каскадов, а – линия, коэффициент передачи цепи ОС. Здесь приведен пассивный случай цепи ОС в виде проводника, к=1.

Для построения гистерезиса (см. рисунок 3.2, б) на рисунке 3.2, а) проводят ряд штриховых прямых, параллельных характеристике цепи ОС. Измеряют величины, отсекаемые штриховыми линиями на горизонтальной оси, и откладывают эти значения на графике, изображенном на рисунке 3.2, б). Находят точки пересечения штриховых линий с характеристикой б, и из точек пересечения опускают перпендикуляры на вертикальную ось. Отсчитывают цифры вертикальной оси и откладывают на втором графике. По результатам отсчета строят характеристику рисунка 3.2, б). Из ее внешнего вида следует, что имеется гистерезис. Он является необходимым условием триггерного эффекта. На графике также видны две точки устойчивого равновесии 1 и 3, точка 2 – точка неустойчивого равновесия.

Желательно, чтобы точка 2 располагалась примерно на середине прямой 1–3 (рисунок 3.2, а), тогда гистерезис будет симметричен относительно вертикальной оси Х_ВЫХ, т. е. его “центр тяжести” будет уравновешен. Но можно сделать и так, как показано на рисунке 3.2, б).

Элементы триггерной схемы рассчитываются из следующих соображений:

1 Выбираются транзисторы. На семействе выходных характеристик, откладывается напряжение питания E₀ (рисунок 3.3). Проводится нагрузочная прямая. Если необходимо максимальное усиление по мощности, то выбирается среднее положение; если необходимо максимальное усиление по току – ближе к вертикали; если необходимо усиление по напряжению – ближе к горизонтали. Выбранный наклон даёт цифру коллекторных резисторов, R_к1 и R_к2.

2 Базовые токи рассчитываются приближенным образом по соотношению 1:10 для несоставных транзисторов и 1:100 для составных. Наиболее точным образом по семейству выходных характеристик в соответствии с разделом 1.3.2. определяют I_бгр и I_б1 (рисунок 3.3). По этим величинам рассчитываются величины сопротивлений R_б1 и R_б2.

3 Источники смещения Е_см принимаются допустимыми для перехода Б ‑ Э в закрытом состоянии. Приближенное значение находится в диапазоне 0,2 ÷ 0,6 В.

4 R_см1, R_см2 – смещающие резисторы. Принимаются не менее чем в 10 раз больше в сравнении с базовыми. Физический смысл заключается в том, что ответвление токов базовых резисторов в смещающие должно быть незначительным.

Форсирующие конденсаторы, которые включают параллельно базовым резисторам, рассчитывают по методике форсирующих ключей (раздел 1.9).

Триггеры могут работать без конденсаторов, но в этом случае форсирования (улучшение фронта) нет.

После включения напряжения питания один из транзисторов (например, VT1, рисунок 3.1) откроется, а другой (VT2) – остается закрытым. Какой из транзисторов будет открыт, определяется несимметрией схемы. При этом, так как VT2 закрыт, на его выходе высокий уровень (почти равный Е₀). Образуется цепь. Следовательно, VT1 открыт, на коллекторном электроде VT1 низкий уровень (“0”). Этот низкий уровень недостаточен для преодоления напряжения смещения Е_см2, поэтому VT2 закрыт, на его выходе наблюдается высокий уровень (как и было принято).

Для опрокидывания триггера необходимо или закрыть VT1 (тогда откроется VT2), или открыть VT2 (тогда скачком закроется VT1).

Выделяют четыре этапа процесса переключения. Примем, что переключение производится путем закрывания открытого VT1. Процессы опрокидывания частично иллюстрируются рисунком 3.3.

1 Рассасывание неосновных носителей в базовой области. Открытый транзистор выходит к подножию, началу активной области, т.е. базовый ток I_б1 на линии насыщения убывает в направлении точки 1.

2 Этап подготовки. Продолжающееся уменьшение базового тока, движение на интервале колена I_бгр (см. рисунок 3.3). В сущности, это небольшая область в окрестности точки 1. Пересекается граница между областью насыщения и активной областью. Второй этап называется подготовкой.

3 Этап регенерации. При дальнейшем уменьшении базового тока I_б2 рабочая точка из положения на границе переходит в положение I_б2, следовательно смещается по нагрузочной прямой от колена по стрелке (см. рисунок 3.3) и т. д. до полного закрывания, т. е. до выхода в точку 3, почти совпадающую с Е₀.

Рисунок 3.3 – Семейство выходных характеристик

Итак, на третьем этапе транзистор VT1 закрывается, VT2 в это же время открывается. Переключаются они одновременно, поэтому третий этап называется этапом регенерации, т. е. действием ПОС.

4 Четвертый этап – это VT1 закрыт, VT2 – открыт, но емкости (в том числе базовые конденсаторы), продолжают перезаряжаться до полного установления. Поэтому четвертый этап называют этапом установления. Этот этап занимает по времени большую часть процесса опрокидывания триггера.

По отношению к обратным связям (третьему этапу) требуются дополнительные пояснения, которые иллюстрируются рисунками 3.4, 3.5 и 3.6. Примем вначале обычный транзисторный каскад на VT и установим в его базовой цепи определенный ток смещения, обозначенный на рисунке 3.4 тонкой непрерывной горизонтальной линией. Этому току смещения соответствует напряжение U_б. Наложим на него два вида сигналов: синусоидальный и импульсный. Здесь также изображены выходные синусоидальные и импульсные напряжения.

1 полупериод: транзистор подзакрывается, так как напряжение в 1 полупериоде идет в направлении горизонтали, то есть уменьшения базового тока. Напряжение на коллекторном электроде возрастает в отрицательной области.

2 полупериод: все наоборот.

Из графиков видно, что это инвертор, фазовый сдвиг (нельзя утверждать, в какую сторону этот сдвиг, положительную или отрицательную). Это нереактивный сдвиг.

Подадим импульсный сигнал вместо синусоиды. Видно, что на выходе тоже инверсия, причем если достигаются уровни горизонтальной оси времени и уровни напряжения питания, то вершины и основания импульсов формируются нелинейностями: напряжением питания и нулем. Эти нелинейности называются насыщением и нечувствительностью. В отличие от линий насыщения биполярного транзистора на семействе выходных характеристик, здесь принципиально другой смысл. В том случае, когда импульсы действуют в активной области, то вершины и основания не упираются в и ось времени, получаются формы вершины и основания управляющего сигнала. Если условно принять третий этап соответствующим активной области, а на базовом электроде первого транзистора поместить синусоиду с первым положительным полупериодом, то на коллекторном электроде VT1 рисунка 3.1 первый полупериод будет отрицательный. На базе VT2 тоже отрицательный полупериод, на коллекторном электроде VT2 – положительный.

Рисунок 3.4 – Транзисторный каскад с наложением

входных и выходных напряжений

Рисунок 3.5 – Нагрузочная прямая и рабочая точка на семействе

выходных характеристик

По сравнению с системами автоматического управления, которым присущи отрицательные обратные связи, в этой схеме действует положительная обратная связь, поэтому получаем «+». «+» означает совпадение фаз входного и выходного напряжений. Положительная обратная связь может быть, если не вносит фазового сдвига или вносит фазовый сдвиг или, как на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 — Структурная схема системы управления с единичной положительной обратной связью, а); совпадение фаз входного и выходного сигналов при ПОС, б)

Передаточная функция этой системы:

Минус в знаменателе означает положительную обратную связь (ПОС).

Примем условно и будем увеличивать или уменьшать его. Если, то получаем электронную схему (систему управления) с устойчивым процессом усиления, регенеративным процессом.

Если, то выражение будет стремиться к бесконечности. Это устойчивые процессы генерации непрерывных сигналов постоянных по уровню или синусоидальных сигналов, если содержит в своем решении характеристического уравнения комплексные корни.

Если, то это будет неустойчивый процесс. Такое устройство либо разрушается, либо упирается в насыщение.

У триггера именно это обстоятельство. На рисунке 3.7, точки 1 и 3 означают окончание взрывных электронных процессов, точка 1 – упор в нуль, точка 3 – упор в напряжение питания, точка 2 – неустойчивое равновесие.

Рисунок 3.7 – Точки устойчивого равновесия 1, 3; 2 – неустойчивого равновесия

Таким образом, в схеме триггера на коротких интервалах времени третьего этапа регенерации можно принять графики, представленные на рисунке 3.8. Первый график на базе транзистора VT1 схемы рисунка 3.1. Второй – на коллекторном электроде VT1 и на базе VT2. Третий – на коллекторном электроде VT2. Они подтверждают наличие ПОС, сигнал третьего графика по цепи обратной связи поступает на базу VT1 (рисунок 3.1), складывается с сигналом первого графика, так как они совпадают по фазе.

Рисунок 3.8 – Процессы в двухкаскадном усилителе (триггере)

Эти графики для синусоиды, но в схеме триггера имеют место импульсные процессы. Они подобны синусоидальным.

Перерисуем схему триггера рисунка 3.1 в более привычный вариант рисунка 3.9. Здесь почти все тоже самое, но два источника смещения заменены одним.

Рисунок 3.9 – Схема триггера с одним источником смещения

В электронике выделяют 2 вспомогательные цепи – дифференцирующую и интегрирующую, изображенные на рисунках 3.10 и 3.12.

Рисунок 3.10 – Дифференцирующая цепь

Дифференцирующая цепь (укорачивание). Ее передаточная функция имеет вид:

т.е. передаточная функция – это отношение сопротивления выхода цепи к сумме всего сопротивления.

В частотной области предельный фазовый сдвиг +90⁰. Но коэффициент передачи по мере роста частоты стремится к "1"; фронт прямоугольных импульсов на входе практически без изменений проходит на выход, потому что содержит высокочастотную составляющую спектра, а сопротивление емкости для высокочастотной составляющей почти "0", потому на выходе выделяется тот же фронт, что и на входе. Затем, вследствие действия вершины импульса, происходит заряд конденсатора … + –, на сколько зарядится конденсатор зависит от его величины, а также длительности импульса. Конденсатор малой емкости быстро заряжается, а большой – медленно. Предположим, что здесь средняя величина емкости. К концу действия входного импульса конденсатор заряжается полностью до напряжения уровня вершины, следовательно, зарядный ток почти нулевой, заряд происходит по экспоненте, поэтому на выходе напряжение убывает также по экспоненте, ток в резисторе уменьшается до нуля. В момент заднего фронта происходит разряд по цепи:

+ конденсатора слева → цепь источника сигнала → R → – конденсатора справа.

На выходе, на резисторе вначале фронт в отрицательной области (начало разряда конденсатора), затем по мере разряда по экспоненте напряжение стремится к нулю.

Из графика, изображенного на рисунке 3.10, видно, что есть укорачивание (если емкость меньше, то короче), поэтому цепь называется укорачивающей.

После преобразований получаем передаточную функцию укорачивающей цепи в следующем виде:

, где Т=RC.

Если перейти к частотной области, то имеем графики, изображенные на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 – ЛАЧХ и ФЧХ укорачивающей цепи

На рисунке 3.11, а) изображены ЛАЧХ и ФЧХ числителя передаточной функции, на рисунке 3.11, б) – знаменателя, а на рисунке 3.11, в) – общие ЛАЧХ и ФЧХ, как результат суммирования а) и б).

Интегрирующая цепь (см. рисунок 3.12). В цепях запуска она не используется, тем не менее часто встречается в схемах, например, генераторах синусоидальных колебаний с RC цепями. Передаточную функцию, ЛАЧХ и ФЧХ предлагается оценить самостоятельно.

Рисунок 3.12 – Интегрирующая цепь

В триггере в качестве запускающей цепи используется укорачивающая цепь. Возможен запуск по базовой и коллекторной цепям, закрывающими, открывающими или чередующимися импульсами положительной и отрицательной полярности. Наилучший способ с точки зрения быстродействия – запуск импульсами закрывающей полярности. В схеме рисунка 3.9 это положительные импульсы.

В связи с тем, что запирающие импульсы рисунка 3.10 имеют фронт и спад, на выходе укорачивающей цепи образуются запирающий и отпирающий импульсы, один из них не нужен, поэтому вводят диодные пассивные ключи, изображенные на рисунке 3.13:

Рисунок 3.13 – Цепь запуска с диодными пассивными ключами

В итоге, схема триггера с возможными цепями запуска по базовым или коллекторным цепям выглядит так, как представлено на рисунке 3.14.

Назначение диодов:

1 Пропускать импульсы закрывающей полярности на базовые электроды;

2 Выполнять отсекающую роль в связи с тем, что конденсатор С_б1 (или С_б2) (если они есть) заряжен до напряжения, близкого к Е₀. Например, если VT1 открыт и закрыт VT2, то слева на С_б2 плюс, справа – минус, потому что транзистор VT1 открыт и левая обкладка конденсатора С_б2 через открытый переход Э–Б VT1 связана с землей "+", а на коллекторе закрытого VT2 почти напряжение питания Е₀ "—".

Рисунок 3.14 – Схема триггера на биполярных транзисторах с запуском в базовых или коллекторных цепях

После прохождения импульса запирания через VD_зап1 протекают этапы: рассасывания, подготовки, регенерации – в итоге которых VT1 закрывается, а VT2 – открывается. "+" левой обкладки конденсатора С_б2 приложен с одной стороны к базе закрывшегося VT1, а другой – к правому электроду VD_зап1; с правой стороны "–" конденсатора С_б2 через открывшийся VT2 приложен к эмиттеру VT1 и через R_зап1 к электроду VD_зап1 слева.

VD_зап1 закрывается, отсекает "высокое напряжение" (т.е. то напряжение, до которого был заряжен С_б2 ) от источника запускающих импульсов, защищает его.

Отличие запуска по коллекторной цепи в том, что требуется большая мощность, т.к. необходимо преодолевать сопротивление базовых цепочек, все остальное аналогично.

Условное изображение этого триггера показано на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 – Условное обозначение триггера

S и R – начальные буквы слов Set и Reset. Нормальное положение выходов — "0" и "1"; два "0" или две "1" – запрещенное состояние; схема не выжигается, но нарушается логика. По входам: — режим ожидания: два "0"; — опрокидывание: поочередная подача "1".

В случае возникновения помех возможна одновременная подача "1", на выходах будут два "0", – запрещенное состояние.

Этот триггер самый непомехоустойчивый; называется потенциальный, статический (в отличие от импульсных, динамических и их подобий).