Симметричные триггеры

ВВЕДЕНИЕ

Триггером называется спусковое устройство имеющее два электрических состояния устойчивого равновесия, способное скачком переходить из одного состояния в другое при воздействии на вход триггера управляющего сигнала.

Триггеры могут быть выполнены на различных элементах - электровакуумных или газонаполненных лампах, транзисторах, тиристорах, туннельных диодах, ферромагнитных элементах и т.д. Триггеры, устойчивые состояния которых характеризуются уровнем потенциала на выходах, называются потенциальными или статическими. По схемному выполнению и особенностям работы, статические триггеры различают на симметричные и несимметричные.

Статические триггеры широко применяются в импульсных и цифровых устройствах. Посредством их осуществляется переключение ветвей радиоэлектронных цепей, управление генераторами линейно-изменяющихся напряжений и токов, формирование прямоугольных импульсов тока, запоминание информации и т.д.

В вычислительной технике также популярны так называемые динамические триггеры, которые при воздействии на вход управляющего сигнала, в отличие от статических триггеров, обеспечивают на выходе серию импульсов тока или напряжения.

Ниже рассматривается только симметричный потенциальный триггер, построенный на основе транзисторных ключей, замкнутых в петлю положительной обратной связи с коэффициентом петлевого усиления K_o > I.

Симметричный триггер. Принцип работы

Рис.1 Схема симметричного триггера и диаграмма.

На рис.1 изображена схема статического симметричного триггера на транзисторах типа p-n-p и диаграмма напряжений на коллекторах и базах. В каждом из состояний устойчивого равновесия один из транзисторов открыт (в режиме насыщения), другой закрыт (в режиме отсечки).

Пусть транзистор T₁ открыт, а Т₂ закрыт. При этом потенциал на коллекторе транзистора Т₁ близок к нулю; а на коллекторе Т₂ близок к -E_k. Из базы транзистора T₁ через резистор R₁" отбирается ток, удерживающий этот транзистор в состоянии насыщения.

Транзистор Т₂ закрыт, так как на его базе образуется положительное напряжение смещения за счет источника Е_см Конденсатор С₁' практически разряжен, а С₁" заряжен до напряжения близкого к E_k. В связи с тем, что коэффициент усиления по току транзисторов, находящихся в режиме отсечки и насыщения, равен нулю, общее усиление в петле обратной связи также равно нулю. Этим обеспечивается устойчивость описанного состояния.

Переход триггера из одного устойчивого состояния в другое (т.е. его переключение или опрокидывание) осуществляется путем воздействия внешнего запускающего импульса на базы или коллекторы транзисторов. (Подробнее о запуске триггера см. ниже.) Причем параметры запускающего сигнала должны обеспечивать вывод транзисторов в активный режим работы, когда восстанавливается усиление по току у транзисторов и в течение времени опрокидывания действует положительная обратная связь между ключами.

После опрокидывания на коллекторе транзистора T₁ устанавливается отрицательный потенциал, близкий к -E_k, а на коллекторе T₂ потенциал, близкий к нулю. Конденсатор С₁' заряжается, a С₁" разряжается, и на базе транзистора T₁, устанавливается положительный потенциал, примерно равный Е_см, а на базе T₂ небольшой отрицательный потенциал (см. диаграмму). Новое устойчивое состояние триггера сохраняется до прихода очередного запускающего импульса.

Переходные процессы в триггере

Рассмотрим более подробно переходные процессы, происходящие в триггере при его переключении.

Вследствие инерционности транзисторов и наличия паразитных емкостей переключение триггера происходит не мгновенно, а в течение конечного промежутка времени. Характер и длительность переходного процесса переключения зависят от параметров и структуры схемы, а также от способа запуска и параметров запускающих импульсов (амплитуды, длительности, формы). Рассмотрим переходные процессы при раздельном запуске триггера.

Примем по-прежнему, что в исходном состоянии транзистор T₁ открыт и насыщен, а T₂ закрыт и пусть положительный запускающий импульс тока поступает в базу открытого транзистора. Под его действием начинается процесс рассасывания неосновных носителей в базе насыщенного транзистора и через некоторое время t_p (рис.2) этот транзистор окажется на границе насыщения. С этого момента начинает уменьшаться его коллекторный ток, что приводит к возрастанию отрицательного напряжения на коллекторе U_k1. Это вызовет снижение положительного напряжения смещения U_б2 на базе закрытого транзистора T₂. Время t_n, в течение которого положительное напряжение смещения уменьшается от начального значения до нуля, называется временем предварительного формирования отрицательного фронта на коллекторе T₁. Сумма t_p+t_n называется временем подготовки. По истечении этого времени, т.е. после достижения U_б2 = 0, транзистор T₂ открывается, восстанавливается усиление в петле положительной обратной связи, и в триггере за время t_рег происходит лавинообразный процесс опрокидывания (регенеративный процесс).

Рис.2 Диаграмма. Переходные процессы в триггере.

Действительно, при открывании транзистора T₂ появляется ток i_k2 в его коллекторной цепи. Приращение этого тока идет в базу транзистора T₁ и, складываясь с входным запирающим импульсом тока способствует запиранию транзистора T₁. Коллекторный ток i_k1 запирающегося транзистора T₁ уменьшается. Обратное приращение тока i_k1 передается в базу открывающегося транзистора T₂ вызывает его еще большее отпирание в т.д. Лавинообразный процесс заканчивается закрыванием транзистора T₁ и открыванием T₂. При этом положительная обратная связь между каскадами снова обрывается.

Длительность t_рег интервала опрокидывания составляет назначительную долю общей длительности переходного процесса. К моменту окончания опрокидывания при достаточно больших ускоряющих емкостях изменение тока базы |Δ i_б2| в отпирающемся транзисторе T₂ равно по величине изменению коллекторного тока |Δ i_k1| запирающегося транзистора T₁. Чем больше базовый ток к моменту окончания опрокидывания, тем быстрее происходит установление напряжения на коллекторе отпирающегося транзистора.

Установление напряжений и токов на коллекторах и базах транзисторов происходит в течение некоторого времени t_уст когда осуществляется перезарядка ускоряющих конденсаторов С₁.

До начала запускающего импульса конденсатор С₁' был разряжен, а С₁" заряжен до напряжения близкого E_k. При опрокидывании триггера конденсатор С₁' заряжается током, отбираемым из базы транзистора T₂ по цепи: плюс источника питания E_k, входное сопротивление транзистора T₂, конденсатор С₁' резистор R_k' минус источника E_k. Время заряда конденсатора определяется постоянной времени зарядной цепи t_зар=C₁R_k. Зарядный ток создает падение напряжения на сопротивлении R_k'. Таким образом, нарастание отрицательного потенциала коллектора закрывающегося транзистора завершится тогда, когда прекратится зарядный ток, т.е. зарядится конденсатор С₁'. Следовательно, время заряда конденсатора С₁' определяет отрицательный фронт t^(-)_ф выходного напряжения. Отрицательный фронт тем меньше, чем меньше величина ускоряющей емкости. По окончании заряда конденсатора С₁' базовый ток транзистора T₂ становится меньше, он определяется сопротивлениями резисторов R₁ и R₂.

Из анализа транзисторных ключей известно, что чем большим базовым током включается транзистор, тем быстрее время его включения, т.е. короче положительный фронт t⁽⁺⁾_ф (для транзисторов р-n-р типа). Очевидно также, что по мере заряда конденсатора С₁' зарядный ток уменьшается. Следовательно, если емкость ускоряющего конденсатора мала, то конденсатор успеет зарядиться до окончания опрокидывания триггера. Тогда базовый ток отпирающегося транзистора заметно уменьшится еще до окончания отпирания транзистора, и фронт нарастания коллекторного тока и коллекторного напряжения (положительный фронт t⁽⁺⁾_ф) увеличится. Таким образом, для уменьшения отрицательного фронта выходного напряжения нужно уменьшать емкость ускоряющих конденсаторов, а для уменьшения положительного фронта - увеличивать ее.

При опрокидывании триггера конденсатор С₁" получает возможность разрядиться по двум цепям:
а) левая обкладка С₁", резистор R₂', источник смещения, сопротивление эмиттер-коллектор T₂, правая обкладка С₁";
б) левая обкладка С₁", сопротивление R₁", правая обкладка С₁". Вследствие разряда конденсатора С₁", напряжение U_б1 на базе транзистора T₁ оказывается положительным и большим стационарного значения напряжения запирания (динамическое смещение). По мере разряда конденсатора С₁" разрядный ток убывает и U_б1 стремится к станционарному значению.

Способы запуска триггера

В зависимости от функции, выполняемой триггером, применяют два способа его запуска - раздельный и общий (или счетный). При раздельном запуске запускающие импульсы одной полярности поступают на входы (базы или коллекторы) транзисторов от двух разных источников (т.е. от одного источника запускающие импульсы поступают на вход одного транзистора, а от другого - на вход другого) (рис.3). Импульсы с одного из входов устанавливают триггер в одно из двух состояний равновесия. Если к приходу такого импульса триггер уже находится в этом состоянии, то оно не изменяется. Импульсы, подаваемые на второй вход устанавливают триггер в противоположное состояние.

Для раздельного запуска триггера требуются сравнительно короткие импульсы. Часто в качестве входного сигнала запуска используются перепады напряжений. В этих случаях формирование необходимых запускающих импульсов производится с помощью подключаемых ко входам триггера укорачивающих RC - цепей. Чтобы предотвратить срабатывание триггера от импульсов обратной полярности, возникающих на выходах укорачивающих цепей применяются диоды Дн.

При счетном запуске управляющие импульсы поступаю от общего генератора на один общий вход триггера (рис.4). При этом каждый импульс изменяет состояние триггера на противоположное.

В исходном состоянии напряжение на коллекторе насыщенного транзистора T₁ близко к нулю» диод Д_н' открыт, конденсатор С_у' разряжен. За счет высокого отрицательного потенциала закрытого транзистора T₂ передаваемого через сопротивление R_б", диод Д_н" закрыт, а конденсатор С_у" заряжен до напряжения Е_к (в полярности, указанной на рис. 4 ). Следовательно, положительный запускающий импульс напряжения поступит только через открытый диод Д_н' на базу насыщенного транзистора и вызовет опрокидывание триггера.

Если действие положительного входного импульса не завершится до окончания опрокидывания триггера, то напряжение, прикладываемое к диоду Д_н", окажется равным сумме положительного входного напряжения и отрицательного напряжения на конденсаторе С_у". Так как обычно амплитуда входного сигнала меньше Е_к, то результирующее напряжение, приложенное к диоду Д_н" будет отрицательным, и диод попрежнему будет закрыт. По окончании входного импульса конденсатор С_у" разрядится через малое сопротивление открывшегося транзистора T₂ и внутреннее сопротивление источника запускающих импульсов, а конденсатор С_у' зарядится до напряжения Е_к. Диод Д_н" откроется, а Д_н' закроется. Очередной запускающий импульс пройдет через диод Д_н" и вызовет новое опрокидывание триггера.

Способы повышения быстродействия симметричного триггера

Быстродействие триггера как устройства, основанного на транзисторных ключах, определяется скоростью переключения выбранных транзисторных ключей.

Следовательно, основными методами повышения быстродействия триггера являются:
1) применение высокочастотных транзисторов;
2) устранение (или уменьшение) задержки выключения, обусловленной рассасыванием неосновных носителей в базе насыщенного транзистора;
3) применение специальных способов, уменьшающих время установления напряжения на коллекторах и ускоряющих конденсаторах.

С целью сокращения времени рассасываний неосновных носителей в базе применяются ненасыщенные ключи, например, за счет введения нелинейной отрицательной обратной связи через диоды Д_ос(рис.5). Ненасыщенный триггер обладает более высокой чувствительностью к запускающим импульсам, с чем связано снижение его помехоустойчивости.

Действие нелинейной обратной связи состоит в следующем. При отпирании транзистора входным током отрицательный потенциал его коллектора уменьшается. Когда он сравняется с потенциалом в точке "а", диод открывается, и часть входного тока замыкается через диод. Транзистор не входит в насыщение.

Для сокращения фронтов выходного напряжения (главным образом отрицательного фронта) может быть применена фиксация минимального коллекторного потенциала через диод Д_ф (рис.6). При отпертом транзисторе диод Д_ф заперт. При запирании транзистора отрицательное напряжение на его коллекторе растет, и когда достигает значения Е_ф, диод отпирается и фиксирует коллекторный потенциал на уровне - Д_ф. Как видно из рисунка, длительность отрицательного фронта существенно уменьшается, а положительного, как более крутого в первоначальной стадии, изменяется мало.

Влияние нагрузки на работу триггера

Обычно нагрузка R_н подключается параллельно транзистору (рис.7) и существенно влияет на работу триггера.

Если транзистор закрыт, то нагрузка приводит к снижению потенциала его коллектора (а значит, и выходного напряжения), так как напряжение Е_к делится между сопротивлениями R_к и R_н, и к уменьшению базового тока открытого транзистора. Транзистор может выйти из режима насыщения. Чтобы сохранить режим насыщения, надо уменьшать величину сопротивления резистора связи R₁.

Когда транзистор открыт, нагрузка практически не влияет на его режим работы, так как сопротивление открытого транзистора мало.