Запуск транзисторных триггеров

Запуск триггера можно производить, запирая насыщенный транзистор или отпирая предварительно запертый. Первый вариант предпочтительнее, так как на отпертый транзистор с очень малым входным сопротивлением переключающий импульс воздействует меньшее время, чем при втором варианте. Этим уменьшается мощность, потребляемая от генератора запуска. В этом случае ускоряющие конденсаторы могут иметь меньшую ёмкость, что сокращает время переходных процессов и установления напряжений в схеме после её опрокидывания. Переключающий импульс должен иметь вполне определённую длительность, чтобы не влиять на схему после возникновения лавинообразного процесса. Поэтому составной частью цепей запуска часто являются дифференцирующие цепи (укорачивающие цепи).

Существуют два вида запуска триггеров: раздельный и общий (счётный).

При раздельном запуске импульсы запуска, чередующиеся по полярности, подаются либо на базу одного транзистора, либо импульсы одной полярности подаются на базу то одного, то другого транзистора.

Триггер с раздельным запуском показан на рис.3.12. Другой вариант такого же триггера, на входах которого установлены дифференцирующие цепи, показан на рис.3.18.

Рис.3.18. Триггер с раздельным запуском и дифференцирующими

цепями на входах

 

Вследствие дифференцирования входных прямоугольных импульсов на резисторах R₁ (R₂)выделяются разнополярные импульсы, что создаёт опасность вторичного переключения триггера от входного импульса. Такая опасность устраняется с помощью отсекающих диодов VD₁ и VD₂, пропускающих на базы транзисторов импульсы только одной полярности. Отрицательный прямоугольный импульс, поступающий на один из входов, дифференцируется, и соответствующий переднему фронту отрицательный остроконечный импульс через диод VD₁ или VD₂ воздействует на базу насыщенного транзистора. Последний выходит из состояния насыщения, развивается лавинообразный процесс, и схема опрокидывается. Следующее переключение схемы произойдёт под действием импульса, поступившего на другой вход.

 

Триггер со счётным запуском

Счётный запуск осуществляется импульсом определённой полярности, поступающим на общий вход обоих плеч триггера. Такой триггер часто называют счётным (Т-триггером). Схема счётного триггера показана на рис.3.19.

Рис.3.19. Схема триггера со счётным запуском (Т-триггера)

 

Как и при раздельном запуске, переключение триггера произойдёт, если запускающий импульс поступит на базу того транзистора, с которого оно должно начаться (отрицательный запускающий импульс должен поступить на базу насыщенного транзистора). Задача цепи запуска – направить каждый запускающий импульс в нужном направлении (т.е. на базу насыщенного транзистора). Кроме того, она должна устранить опасность повторного переключения от одного запускающего импульса, ещё присутствующего на общем входе уже после опрокидывания триггера.

Работа Т-триггера

Пусть в исходном состоянии VT₁ открыт, а VT₂ закрыт. Ускоряющий конденсатор C' разряжен, так как потенциал его левой обкладки близок к нулю ввиду того, что VT₁ насыщен, а на правой обкладке потенциал немного меньше нуля (из-за наличия источника смещения –Е_к). Поэтому можно сказать, что U_С'≈ 0. Ускоряющий конденсатор C'' заряжен, так как его левая обкладка подключена к базе насыщенного VT₁, потенциал на которой примерно равен нулю, а правая обкладка присоединена к коллектору запертого VT₂, потенциал которого примерно равен +Е_к. Следовательно, можно сказать, что U_С''≈+Е_к.

При подаче на вход схемы отрицательного импульса запуска оба диода VD₁ и VD₂ отпираются. Через диод VD₁ отрицательный импульс запуска подаётся на базу VT₁ и запирает его. Напряжение на коллекторе VT₁ становится равным +Е_к. Через диод VD₂ отрицательный импульс запуска подаётся на базу запертого VT₂ и не изменяет его состояния. Через диод VD₂ протекает ток заряда C' по цепи:

+Е_к→ R_к1 → C' → VD₂ (открытый) → источник импульсов → – Е_к

(корпус).

Ввиду того, что длительность импульса запуска мала, конденсатор C' заряжается на очень незначительную величину (ΔU_С'). После окончания входного импульса запуска оба диода запираются и отключают источник импульсов запуска от триггера. В этом состоит основное назначение отсекающих диодов.

Таким образом, на некоторое время оба транзистора оказываются запертыми. При этом напряжение +Е_к на коллекторах обоих транзисторов через делители R' – R_б2 и R'' – R_б1 оказывается приложенным к базам обоих транзисторов, и они начинают открываться. Однако плечи триггера в этот момент не будут симметричны, так как C' и C'' заряжены к этому моменту неодинаково: C' заряжен до величины U_С'≈ 0, а C'' – до величины U_С''≈+Е_к. Поэтому ток І_к2 будет больше тока І_к1. Ток, протекающий через VT₂, будет равен сумме токов от источника питания и от заряженного до +Е_к конденсатора C'', а ток, протекающий через VT₁, будет равен сумме токов от источника питания и от заряженного до + ΔU_С' конденсатора C'. В результате неравенства токов, протекающих через транзисторы, возникает лавинообразный процесс, и схема опрокидывается: VT₁ запирается, а VT₂ отпирается.

Перед следующим тактом запуска запертым оказывается VT₁, а отпертым – VT₂. Теперь C' заряжается по цепи:

+Е_к→ R_к1 → C' → R_б2 → –Е_см→ +Е_см (корпус) → – Е_к.

C'' разряжается по цепи:

+C''→ VT₂ → корпус(+Е_см) → –Е_см → R_б1 → – C''.

В этом состоянии схема будет находиться до прихода следующего импульса запуска. Далее цикл работы триггера повторяется, но меняются ролями его плечи.

Отсюда можно увидеть особенность ускоряющих конденсаторов в таком триггере: кроме обычной функции ускорения опрокидывания, они выполняют функции элементов «памяти», запоминающих состояние триггера и способствующих течению процессов опрокидывания в нужном направлении. Если в триггерах с раздельным запуском отсутствие ускоряющих ёмкостей приводит лишь к уменьшению быстродействия триггера, то в рассмотренной схеме наличие их является обязательным, в противном случае триггер нормально работать не сможет.

Существуют и другие схемы триггеров со счётным запуском, но и в них элементами «памяти» служат конденсаторы.

 

Блокинг-генератор

Блокинг-генератор – это релаксационный генератор коротких импульсов, представляющий собой однокаскадный неинвертирующий усилитель с глубокой положительной обратной связью. Выполнение фазового условия самовозбуждения (т.е. создание положительной обратной связи) обеспечивается соответствующим включением обмоток импульсного трансформатора. Импульсный трансформатор – это трансформатор с ферромагнитным сердечником, служащий для преобразования электрических импульсов длительностью от нескольких наносекунд до десятков микросекунд. Основным требованием, предъявляемым к импульсному трансформатору, является обеспечение минимальных искажений генерируемого импульса. Для выполнения этого требования конструкция импульсного трансформатора имеет ряд особенностей, которые обеспечивают уменьшение индуктивности рассеивания и вихревых токов в сердечнике, а также незначительные паразитные ёмкости. Таким образом, импульсный трансформатор, как и усилительный элемент, осуществляет инвертирование сигнала, в результате чего сдвиг по фазе между выходным и входным сигналами становится равным 2π, и, следовательно, при выполнении амплитудного условия самовозбуждения в схеме возможно возникновение регенеративного процесса.

Блокинг-генератор формирует практически прямоугольные импульсы с достаточно широким диапазоном длительностей и периода повторения. При формировании радиолокационной последовательности импульсов, когда , мощность формируемых импульсов оказывается очень большой даже при применении маломощных транзисторов. Это объясняется тем, что в транзисторах за счёт импульсной инжекции можно получать токи, намного превышающие допустимые токи непрерывного режима работы. Восстановление эмиссионных свойств эмиттера происходит во время паузы между формированием соседних импульсов.

Во время формирования импульса блокинг-генератор имеет очень малое выходное сопротивление и поэтому может работать на низкоомную нагрузку. С обмоток импульсного трансформатора можно получать импульсы различной полярности, причём, с дополнительных обмоток амплитуда выходных импульсов может намного превышать напряжение источника питания.

Блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем (заторможенном) режиме и в автоколебательном режиме с внешней синхронизацией.

Схема транзисторного блокинг-генератора изображена на рис.3.20. Временн ы е диаграммы работы блокинг-генератора показаны на рис.3.21.

Рис.3.20. Схема транзисторного блокинг-генератора

 

Работа блокинг-генератора.

Поскольку данный блокинг-генератор работает в автоколебательном режиме, то рассмотрение процессов можно начать с любого момента. Начнём

с момента перезаряда конденсатора, когда транзистор заперт (находится в режиме отсечки).

1-й этап. Перезаряд конденсатора.

Конденсатор C, заряженный при формировании предыдущего импульса, перезаряжается по цепи: + Е_к (корпус) →ω_б →C →R_б →– Е_к

Рис.3.21. Временные диаграммы работы блокинг-генератора

 

Ток перезаряда создаёт на R_б падение напряжения, полярность которого приложена к базе транзистора плюсом. В результате потенциал базы относительно эмиттера оказывается более положительным и поэтому транзистор находится в запертом состоянии. По мере перезаряда конденсатора положительное напряжение на базе уменьшается (рис.3.20, а; б).

2-й этап. Первое опрокидывание схемы (прямой блокинг-процесс).

В тот момент, когда напряжение на базе VT₁ достигнет нуля (t = t₁), транзистор отпирается, и в цепях базы и коллектора начинают протекать токи i_б и i_к. Появление i_к вызывает возникновение ЭДС самоиндукции е₁ в обмотке импульсного трансформатора ω_к, препятствующей возникновению и росту i_к. Возникновение е₁, в свою очередь, вызывает появление ЭДС взаимоиндукции е₂ в обмотке ω_б, минус которой оказывается приложенным к базе. При этом замыкается цепь положительной обратной связи:

+Δi_к→ +Δе₁→ –Δе₂ → –ΔU_б→ + Δi_б→ +Δi'_к (>Δi_к)

и начинается лавинообразный процесс отпирания транзистора (прямой блокинг-процесс). Говорят, что схема «опрокидывается». Процесс опрокидывания идёт до тех пор, пока транзистор не зайдёт в область насыщения. В этот момент токи i_б и i_к достигают максимальных значений, а отрицательное напряжение на коллекторе становится равным почти нулю.

3-й этап. Формирование вершины импульса.

С момента перехода транзистора в режим насыщения входной ток i_б перестаёт управлять током коллектора i_к, и транзистор теряет свои усилительные свойства. ЭДС самоиндукции е₁ и взаимоиндукции е₂ пропадают; начинается формирование плоской вершины импульса. С момента отпирания транзистора в цепи базы появляется ток. В обмотке импульсного трансформатора ω_б возникает ЭДС за счёт энергии, запасённой во время формирования вершины импульса, и начинается заряд конденсатора C током базы по цепи:

корпус → переход (Э-Б) → C → ω_б → корпус (эмиттер).

Напряжение на конденсаторе нарастает быстро, так как прямое сопротивление перехода «эмиттер-база» очень мало. По мере заряда конденсатора положительный потенциал базы увеличивается, а ток в цепи эмиттер - база (i_б) уменьшается, что приводит к выходу транзистора из режима насыщения.

4-й этап. Второе опрокидывание схемы (обратный блокинг-процесс).

Процесс формирования вершины заканчивается в тот момент (t = t₂), когда ток заряда конденсатора i_б уменьшится настолько, что величина коэффициента усиления по току β будет достаточной для возникновения обратного блокинг-процесса. В этот момент транзистор вновь становится активным элементом, обладающим усилительными свойствами. Уменьшение тока базы i_б вызывает уменьшение тока коллектора i_к и появление ЭДС самоиндукции е'₁ и взаимоиндукции е'₂. Эти ЭДС имеют направление, противоположное соответствующим ЭДС, возникающим при первом опрокидывании схемы. Вновь замыкается петля положительной обратной связи:

–Δi_б→ –Δi_к → –Δе'₁ → +Δе'₂ → ΔU_б → –Δi'_б (> –Δi_б).

Процесс развивается лавинообразно и приводит к резкому запиранию транзистора. Напряжение на коллекторе U_к понижается до величины – Е_к, даже ниже – Е_к. Это объясняется тем, что в процессе формирования вершины импульса ток намагничивания импульсного трансформатора после запирания транзистора не может исчезнуть мгновенно. В результате ударно возникает ЭДС самоиндукции, приводящая к «всплеску» U_к. При достаточно высокой добротности паразитного колебательного контура в цепи коллектора этот «всплеск» может перейти в паразитные колебания (пунктир). Для предотвращения возникновения паразитных колебаний обычно параллельно обмотке, стоящей в цепи коллектора, включается диод. Малое прямое сопротивление диода шунтирует паразитный колебательный контур, образованный индуктивностью и межвитковой ёмкостью первичной обмотки ω_к. Добротность колебательного контура при этом становится низкой, и колебания быстро затухают.

После запирания транзистора вновь начинается описанный выше процесс сравнительно медленного перезаряда конденсатора C.

Ждущий блокинг-генератор

Блокинг-генератор может работать в ждущем режиме. Для этого в общем случае необходимо поддерживать транзистор в запертом состоянии до момента поступления отпирающего импульса. Запереть транзистор можно различными способами: подать положительное напряжение на базу или отрицательное напряжение на эмиттер (если транзистор структуры p-n-p). Обычно выбирается второй вариант (рис.3.22), так как при этом используется общий источник питания – Е_к.

Рис.3.22. Ждущий блокинг-генератор