Симметричный триггер с внешним смещением и раздельным запуском

Схема такого триггера показана на рис.3.12.

Рис.3.12. Симметричный триггер с внешним смещением

и раздельным запуском

 

Временн ы е диаграммы, поясняющие работу триггера, показаны на рис.3.13.

Рис.3.13. Временн ы е диаграммы работы триггера

 

Работа схемы.

При включении питания, несмотря на симметрию схемы, за счёт флуктуаций ток в одном из плеч в какой-то момент времени окажется больше тока в другом плече. В результате лавинообразного процесса нарастания тока один из транзисторов быстро откроется, а другой – закроется. Пусть, например, транзистор VT₁ отпирается, а VT₂ запирается. В этом состоянии триггер будет находиться до тех пор, пока на вход VT₁ не поступит отрицательный запускающий импульс. Величина Е_см обычно выбирается в пределах (1…2) вольт, что обеспечивает надёжное запирание транзистора.

При поступлении на вход открытого транзистора VT₁ отрицательного запускающего импульса транзистор VT₁ начинает выходить из режима насыщения и переходит в активную зону. Ток через VT₁ начинает уменьшаться, что приводит к возникновению лавинообразного процесса:

–Δi_к1 → + ΔU_к1 → + ΔU_б2 → + Δi_к2→ – ΔU_к2 → – ΔU_б1→–Δi'_к1,

в результате которого VT₁ переходит в режим отсечки и запирается, а VT₂ переходит в режим насыщения и отпирается. Напряжение на коллекторе VT₁ скачком возрастает до +Е_к, а напряжение на коллекторе VT₂ скачком падает до уровня насыщения U_к0= І_к0·R_к2.

В этом состоянии триггер будет находиться до момента поступления на вход VT₂ импульса срыва. В этот момент происходит очередное опрокидывание, и триггер возвращается в исходное состояние.

Запуск и срыв этого триггера можно осуществить и положительными импульсами. Для этого положительные импульсы запуска и срыва надо подавать на запертые транзисторы.

Для опрокидывания триггера запускающий (срывающий) импульс должен иметь амплитуду и длительность, достаточные для вывода насыщенного транзистора в активную область (если запуск производится отрицательным импульсом). Чем больше по амплитуде входной импульс, тем быстрее протекает процесс опрокидывания.

Для ускорения переходных процессов, связанных с конечной скоростью диффузии носителей в транзисторе, резисторы R₁ и R₂ шунтируются небольшими ёмкостями. Во время опрокидывания, когда происходят быстрые переходные процессы, конденсатор C₁ (C₂) практически полностью шунтирует резистор R₁ (R₂), и изменение тока коллекторов, протекающих через C₁ (C₂) почти целиком идёт на приращение тока базы. Это значительно ускоряет нестационарные (переходные) процессы в транзисторе и, следовательно, процесс опрокидывания. Поэтому такие ёмкости называют ускоряющими. Слишком большие ёмкости приводят к уменьшению быстродействия триггера. Это объясняется тем, что после опрокидывания схемы ускоряющие ёмкости должны успеть зарядиться (или разрядиться) к приходу следующего импульса. Обычно величина такой ёмкости не превышает (100…600) пФ.

Симметричный триггер с автосмещением.

Напряжение, запирающее транзистор, можно получать не от специального источника (рис. 3.12), а с резистора R_э в общей эмиттерной цепи (рис.3.14).

 

Рис.3.14. Схема симметричного триггера с автосмещением

 

Действительно, ток отпертого транзистора создаёт на R_э напряжение, которое через резистор R_б1 (или R_б2) прикладывается между базой и эмиттером другого транзистора, запирая его. Чтобы исключить отрицательную обратную связь во время формирования фронтов импульсов, R_э шунтируется конденсатором достаточно большой ёмкости C_э. В остальном работа триггера ничем не отличается от работы триггера, изображённого на рис.3.11.

Несимметричный триггер с эмиттерной связью (триггер Шмитта)

Схема триггера Шмитта показана на рис.3.15.

Рис.3.15. Принципиальная схема триггера Шмитта

 

Данная схема имеет два устойчивых состояния равновесия.

Здесь перепады напряжения с левого плеча на правое передаются, как обычно, через делитель напряжения R-R_б2, а с правого на левое – через общий резистор в цепи эмиттеров R_э. Шунтировать этот резистор конденсатором нельзя, в противном случае напряжение на R_э не сможет быстро изменяться. Конденсатор C является ускоряющим. Делитель напряжения R₁ - R₂ обеспечивает необходимый режим работы транзистора VT₁.

Временн ы е диаграммы, иллюстрирующие работу триггера Шмитта, показаны на рис.3.16. Введём следующие обозначения:

• U'_э – уровень напряжения на эмиттерах схемы, при котором происходит отпирание транзистора VT₁;
• U''_э – уровень напряжения на эмиттерах схемы, при котором происходит отпирание транзистора VT₂;

В исходном состоянии VT₁ открыт и насыщен за счёт напряжения, снимаемого с делителя R₁ - R₂ . Напряжение коллектора U_к1 делится цепью

R - R_б2 и лишь часть его подаётся на базу транзистора VT₂. Таким образом, база транзистора VT₂ имеет положительный потенциал, меньший, чем эмиттер, а поэтому при открытом транзисторе VT₁ транзистор VT₂ заперт. Когда же открыт и насыщен VT₂, транзистор VT₁ будет заперт только в том случае, если напряжение на эмиттерах будет превышать по абсолютному значению напряжение на базе U_б1. Это условие выполняется подбором сопротивлений плеч делителя R₁ - R₂ и тока насыщения транзистора VT₂.

Работа триггера Шмитта.

Пусть на базу открытого транзистора VT₁ подаётся отрицательный запускающий импульс, под действием которого VT₁ выходит из состояния насыщения и потенциал его коллектора становится более положительным. Теперь возникает лавинообразный процесс:

+ ΔU_к1 → + ΔU_б2→ + Δi_к2→ + Δi_э2→ + ΔU_Rэ → – ΔU_б1→ –Δi_к1 →

→ + ΔU'_к1 (> + ΔU_к1).

В результате лавинообразного процесса транзистор VT₁ запирается, а VT₂ полностью отпирается и насыщается. Аналогично протекает и обратный процесс, когда на вход VT₁ поступает положительный импульс.

Выходные импульсы снимаются с коллектора VT₂, не связанного непосредственно с другими элементами схемы. Благодаря этому нагрузка триггера не оказывает на них (элементы схемы) существенного влияния.

Рис.3.16. Временн ы е диаграммы работы триггера Шмитта

 

Триггер Шмитта часто используют для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы и, в частности, из синусоидального напряжения. Принцип работы такого триггера показан на временн ы х диаграммах (рис.3.17).

Рис.3.17. Получение прямоугольных импульсов из синусоиды

с помощью триггера Шмитта

 

 

Как только под действием U_вх потенциал базы транзистора VT₁ станет равным потенциалу эмиттера (U_б1 = U'_э), транзистор VT₁ запирается, схема лавинообразно опрокидывается, и транзистор VT₂ отпирается и насыщается. Пока VT₁ остаётся запертым, на выходе формируется плоская вершина импульса. Когда под действием U_вх потенциал базы VT₁ сравняется с новым значением потенциала эмиттера (U_б1 = U''_э), начнётся новый лавинообразный процесс, в результате которого будет сформирован срез импульса, после чего схема вернётся в своё исходное состояние. Подбором величин резисторов R₁ и R₂ можно так подобрать режим работы VT₁, что он будет находиться одинаковое время в запертом и открытом состояниях.

При ΔU^′= ΔU^′′ триггер может переключаться разнополярными напряжениями одинакового уровня. При этом длительности формирования импульса и паузы будут одинаковыми. При ΔU^′≠ ΔU^′′ переключение осуществляется разнополярными напряжениями разных значений.

Благодаря лавинообразным процессам триггер Шмитта, по сравнению с ограничителями амплитуды, обеспечивает лучшую форму прямоугольных импульсов, формируемых из синусоиды.

Триггер Шмитта можно использовать как пороговое устройство: если входной сигнал достигает определённого порога, то триггер переключается. Величину порога переключения можно менять, изменяя потенциал базы VT₁ с помощью делителя напряжения R₁ - R₂.