6. Триггеры

Триггер – это устройство, имеющее два устойчивых состояния, спо-

собное под воздействием управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое и хранить это состояние сколь угодно долго. Такие свойства позволяют использовать триггеры в качестве элементов памяти, для деления частоты следования управляющего сигнала, для счета импульсов, для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы, для сравнения напряжений и т. д.

Для построения триггеров могут использоваться туннельные диоды, тиристоры, транзисторы и логические элементы. В лекции рассмотрим триггеры на биполярных транзисторах.

Условные обозначения триггеров на транзисторах приведены на рис. 25.6. Они имеют один или несколько входов и два выхода. Один из выходов называется прямым и обозначается . Другой выход называется инверсным и обозначается . Когда на прямом выходе устанавливается высокий уровень напряжения (близкий к напряжению источника питания), на инверсном выходе устанавливается низкий уровень(близкий к нулю). Условно высокий уровень напряжения обозначают “1”, а низкий – “0”.

Различаются триггеры способом управления (запуска). Триггер с раздельным запуском (рис.25.6, а) имеет два входа – S и R. Управляющие сигналы (импульсы тока или напряжения) поступают на эти входы от раздельных источников. При поступлении управляющего сигнала на вход S (set – установка единицы) триггер устанавливается в состояние “1”, при котором = 1, а = 0. При поступлении управляющего сигнала на вход R триггер устанавливается в состояние “0”, при котором = 0, а = 1.

Если к моменту поступления управляющего сигнала на вход S, триггер уже находился в состоянии “1”, то его состояние не изменится. При раздельном запуске триггер срабатывает от каждого управляющего сигнала только тогда, когда они поступают на входы S и R поочередно. Сокращенное название триггера – RS – триггер.

Триггер с общим запуском (рис. 25.6, б) имеет один вход – Т. Управляющие сигналы поступают на этот вход, а триггер срабатывает от каждого сигнала, изменяя свое состояние на противоположное. Сокращенное название триггера – Т – триггер.

Триггер с комбинированным запуском (рис. 25.6, в) имеет три входа S, R и Т. Триггер допускает как раздельный, так и общий запуск. Сокращенное название – RSТ – триггер.

Схема триггера с раздельным запуском на биполярных транзисторах p - n – p типа приведена на рис. 25.7. Схема состоит из двух транзисторных ключей. Выход ключа на транзисторе Т₁ соединен со входом ключа на транзисторе Т₂. Выход ключа на транзисторе Т₂ соединен со входом ключа на транзисторе Т₁.Так замыкается петля ПОС.

Рассмотрим работу схемы, используя графики токов и напряжений рис. 25.8.

На временном интервале от 0 до t₁ схема находится в исходном состоянии. Предположим, что в исходном состоянии = 0, = 1. При этом транзистор Т₁ открыт и насыщен, напряжение U_кэ1 = U_кн ≈ 0. Транзистор Т₂ закрыт и U_кэ2 ≈ -Е_к. Высокий отрицательный потенциал - U_кэ2 через делитель R₁, R_б1 приложен к базе транзистора Т₁ и поддерживает его в открытом состоянии. В цепи базы протекает ток I_б1 = I_бн. В базе транзистора накоплен большой избыточный заряд носителей.

Н а базу транзистора Т₂ действует незначительный отрицательный потенциал - U_кэ1 и положительный потенциал Е_б. Так как |Е_б| > |U_кэ1|, то транзистор Т₂ поддерживается в закрытом состоянии. Таким образом, состояние транзистора Т₁ поддерживает состояние транзистора Т₂ и наоборот. Схема находится в устойчивом состоянии до воздействия управляющего сигнала.

Пусть в момент t₁ в базу транзистора Т₁ подан управляющий сигнал – импульс тока I_вх. Если выполняется условие |I_вх| > |I_б1|, то ток базы Т₁ меняет знак, но транзистор остается открытым до момента времени t₂. На интервале времени t₂ – t₁ происходит рассасывание избыточного заряда базы Т₁. Если управляющий сигнал достаточно сильный, то интервал рассасывания τ_р определяется выражением

где S = β·I_б / I_кн – коэффициент насыщения транзистора, τ = 1 / 2π·f – время

пролета неосновных носителей заряда через базу.

С момента t₂ начинает убывать коллекторный ток транзистора Т₁, а |U_кэ1| увеличивается. Транзистор работает в активном режиме. Отрицательное приращение напряжения - ∆U_кэ1 через делитель R₂, R_б2 передается на базу транзистора Т₂. Это приводит к уменьшению напряжения U_б2. В момент времени t₃ напряжение U_б2 достигает уровня отпирания транзистора Т₂ – U_б0. Интервал времени t₃ – t₂ называется интервалом подготовки к отпиранию t_п. Его длительность определяется выражением

С момента t₃ оба транзистора работают в активном режиме. В схеме возникает лавинообразный (регенеративный) процесс опрокидывания, когда запирается транзистор Т₁ и отпирается Т₂. Увеличение |- U_кэ1| приводит к росту |- U_б2| и к уменьшению U_кэ2. Это вызывает увеличение напряжения U_б1 и более глубокое запирание транзистора Т₁. Длительность регенеративного процесса t_рег имеет порядок τ. Он завершается в момент t₄, когда Т₁ закрыт, а Т₂ открыт. Управляющий сигнал больше не нужен. Будем полагать , что его срез соответствует моменту времени t₄. Окончание управляющего сигнала приводит к скачку тока базы I_б1 до I_к0.

После завершения лавинообразного процесса начинается установление нового состояния триггера. Длительность этапа установления определяется скоростью перезаряда конденсаторов С₁ и С₂. До запуска схемы конденсатор С₁ был заряжен до напряжения, близкого к Е_к. Теперь он разряжается через резистор R₁ и по цепи R_б1, Е_б, эмиттер – коллектор Т₂. Конденсатор С₂ до запуска схемы был разряжен. На этапе установления он заряжается. Ток заряда протекает от + Е_к, через корпус, переход эмиттер – база Т₂, С₂, R_к1, к -Е_к. Скорость перезаряда определяется значением постоянной цепей перезаряда. Этап установления завершается в момент времени t₅ и обозначается t_у.

После окончания этапа t_у схема готова к приему следующего управляющего сигнала. Сумма

T_мин = τ_р + t_п + t_рег + t_у

определяет минимальный временной интервал между управляющими сигналами, при котором обеспечивается надежное срабатывание триггера.

Схема триггера, приведенная на рис. 25.9, отличается от рассмотренной ранее типом транзисторов, связями между их базами и коллекторами и числом входов. Это обусловливает существенные отличия в принципе работы триггера.

При замыкании ключа К положительный потенциал источника питания + Е_к через резистор R_к1 подается на базу транзистора Т₂ и открывает его. Транзистор Т₁ закрыт. Если напряжение на входе отсутствует U_вх = 0, то это состояние (назовем его исходным) может сохраняться как угодно долго.

Триггер изменяет свое состояние под воздействием положительного управляющего сигнала на базу транзистора Т₁. В новом состоянии транзистор Т₁ открыт и насыщен, а транзистор Т₂ закрыт. Чтобы вернуть триггер в исходное состояние, нужно выключить и вновь включить источник питания. Схема может быть полезной для управления временем начала (момент включения Е_к) и прекращения какого - либо процесса по управляющему сигналу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

25.1. Приведите примеры применения импульсных сигналов для решения практических задач.

25.2. Перечислите основные параметры импульсных сигналов, приведите известные соотношения для их оценки.

25.3. Докажите, что мощность, потребляемая электронными ключами, пренебрежимо мала.

25.4. Рассчитайте элементы R₁, R₂ и R_к для схемы рис. 25.1, б, если известно, что Е_к = 10 В, Е_СМ = 1,5 В, U_вх = 2, 5 В, β = 40 – 100, I_кэо = 50 мкА, I_кн = 9,5 мА.

25.5. В схеме триггера Шмитта по рис. 25. 3, а определите U₀, при котором |U_п1| = |U_п2|.

25.6. На вход прямой RC цепи поступает прямоугольный импульс τ_и = 10^-3 С. Определите значение С, при котором цепь будет передавать импульс с минимальными искажениями, если R = 10 кОм.

25.7. Определите значение С, при котором прямая RC цепь будет дифференцировать импульс, если R = 10 кОм.

25.8. Приведите условные схемные обозначения триггеров. Определите назначение их входов и выходов.

25.9. Определите требования к амплитуде и длительности управляющего сигнала триггера по схеме рис. 25.7.

25.10. Триггер по схеме рис. 25.9 имеет один вход. Почему его относят к классу RS триггеров?