Триггер: устройство, принцип работы.

Схема триггера с коллекторно – базовыми связями (без цепей запуска) показана на рис. 16.6. Она представляет собой два транзистор-ных ключа, у которых выход одного соединён со входом другого ёмкостно – резистивной связью. Параметры обоих каскадов схемы берутся одинаковыми.

Каждый из каскадов, как в обычном насыщенном ключе, может находиться либо в запертом состоянии (в области отсечки), либо в состоянии насыщения.

      

Рис. 16.6.  Схема триггера с коллекторно – базовой связью.

Параметры схемы выбираются таким образом, чтобы при запертом транзисторе транзистор отперт и насыщен, и соответственно наоборот. Каждое из этих состояний равновесия является устойчивым. Рассмотрим подробнее одно из них.

Пусть транзистор отперт и насыщен. Покажем, что при этом транзистор может быть заперт, а его запирание обеспечивает насыщение транзистора .

У насыщенного транзистора потенциал коллектор близок к нулю (| | = 0,05 ÷ 0,1 В). Напряжение на базе транзистора определяется падением напряжения на резисторе за счёт источника напряжения и обратным током , протекающим через резисторы и в параллель:

                       =  ˗˗                                   (16.6)

Выбором сопротивлений резисторов , и напряжения  можно обеспечить условие  > , т.е. запереть транзистор .

Полагая, что пороговое напряжение  = 0,2 ÷ 0,5 В, получаем надёжное запирание транзистора во всём температурном диапазоне работы.

Потенциал коллектора запертого транзистора определяется падением напряжения на резисторе , создаваемым током, протекающим через эмиттерный переход отпертого транзистора и резисторы и , и током Учитывая, что = 5÷10 , получаем  = 0,8÷0,9 .

Условием насыщения первого транзистора будет > , где

                                             =  -  , а                                           (16.7)

                                                 =                                                  (16.8)

где B (при + 20°С) = 30, а B (при - 50°С) > 10.

Ускоряющий конденсатор , присоединённый к коллектору отпертого транзистора, почти полностью разряжен (  ≈ 1В), конденсатор , присоединённый к коллектору закрытого транзистора, заряжен до напря-жения, равного 0,8 ÷ 0,9 , плюсом на левую обкладку, минусом – на правую.

Наличие ускоряющих конденсаторов позволяет получить при запирании и отпирании каждого каскада форму тока базы, близкую к прямоугольной, и этим ускорить переходные процессы при опрокидывании триггера.

Для опрокидывания триггера необходимо подать на схему внешний пусковой импульс.

Существует два способа запуска симметричных транзисторных триггеров – раздельный и счётный.

При раздельном запуске используются два источника пусковых импульсов, присоединённых соответственно ко входу первого и второго транзисторов. При счётном запуске пусковые (управляющие) импульсы поступают от одного генератора на общий вход и воздействие каждого из них вызывает опрокидывание триггера. Оба вида запуска могут осуществляться как на базы, так и на коллекторы транзисторов.

На рис.16.7,а показана схема симметричного триггера с раздельным запуском на базы. Графики напряжений, поясняющие процессы в схеме, показаны на рис.16.7,б. Напряжение на электродах транзисторов до подачи первого пускового импульса (интервал времени 0÷ ) соответствуют рассмотренному выше состоянию равновесия при отпертом транзисторе и запертом транзисторе .

Положительные пусковые импульсы поступают на базы транзисторов через переходные цепи и пусковые (отсекающие) диоды Д.

При воздействии первого пускового импульса на базу отпертого насыщенного транзистора схема опрокидывается и переходит во второе состояние устойчивого равновесия. Процесс опрокидывания протекает так же, как в мультивибраторе с коллекторно-базовыми связями. Вначале происходит рассасывание избыточного заряда в базе  и он выходит из режима насыщения. При переходе в активную область уменьшается коллекторный ток и понижается потенциал коллектора . Это понижение передаётся через конденсатор на базу транзистора . До тех пор пока транзистор остаётся закрытым, продолжается этап подготовки, а после его отпирания при  < 0 развивается процесс регенерации, приводящий к запиранию транзистора и насыщению транзистора Установление нового состояния равно-весия заканчивается после дозаряда конденсатора и разряда конденса-тора .

  

  Рис. 16.7. Симметричный триггер с раздельным запуском на базы.

                      

На графиках рис.16.7,б опрокидывание схемы показано для простоты совпадающим с моментом подачи пускового импульса. Время заряда конденсатора  определяет длительность отрицательного фронта на коллекторе транзистора .

                                         = 3                                                    (16.9)

Ток разряда конденсатора , протекающий по двум параллельным цепям: через отпертый транзистор и резистор и через резистор создаёт положительный импульс напряжения на базе транзистора длительностью:

                                       = 3                                          (16.10)

Новое состояние схемы будет сохраняться до прихода положительного пускового импульса на базу транзистора от второго источника пусковых импульсов. Под его воздействием схема вновь опрокинется и вернётся в исходное состояние.

   На рис.16.8 показана схема симметричного триггера со счётным запуском на базы. Пусковые импульсы положительной полярности от

               

   Рис.16.8. Симметричный триггер со счётным запуском на базы.

одного источника через отсекающие диоды и подводятся к базам обоих транзисторов. Пусть схема находится в первом состоянии устойчивого равновесия и ко входу прикладывается очередной пусковой импульс. После вывода отпертого транзистора из режима насыщения и его запирания транзистор также удерживается пусковым импульсом в запертом состоянии, несмотря на понижение потенциала коллектора транзистора . Таким образом, к моменту окончания действия пускового импульса оба транзистора оказываются запертыми. После окончания пускового импульса оба транзистора одновременно отпираются и начинает развиваться процесс регенерации. Для его развития в нужном направлении решающим оказывается наличие кон-денсаторов и , выполняющих в этой схеме и роль элементов памяти. Из-за различных начальных напряжений на конденсаторах, обусловленных предшествующим состоянием схемы («память»), токи и оказываются не одинаковыми.

При отпирании транзисторов токи базы равны:

                                       =                                                   (16.11)

                                    =                                                  (16.12)

Учитывая, что в исходном состоянии равновесия  > , получаем  > . Лавинообразное изменение токов пойдёт в сторону увеличения токов транзистора  и уменьшения токов транзистора . Схема опрокидывается.

При отсутствии конденсаторов и отношение базовых токов при отпирании транзисторов определялось бы случайными причинами, в том числе различием параметров самих транзисторов.

Триггеры применяют для формирования прямоугольного напряжения из синусоидального, применяют в качестве схем сравнения, реле уровня и в других схемах.

 

       2. Логические элементы.

                 А) Диодные логические элементы ИЛИ.

На выходе логического элемента ИЛИ (дизъюнктора) должна быть логическая единица, если хотя бы на одном входе присутствует логическая единица. Для этого надо, чтобы логическая единица появив-шаяся на выходе, препятствовала поступлению туда логического нуля с другого входа. В схеме, представленной на рис.16.9, а это достигается тем, что высокий потенциал (логическая единица) на одном из входов через открытый диод почти целиком выделяется на резисторе (  << R) и запирает со стороны катода тот диод, на анод которого с другого входа поступает низкий уровень логического нуля. На выходе логического элемента будет логическая единица, если на первом входе или на втором входе, или на n-входе, или на нескольких входах (любых) одновременно будет логическая единица.

 

                                

        Рис. 16.9. Диодный логический элемент ИЛИ.

                    Б) Диодные логические элементы И.

На выходе логического элемента И (конъюнктора) должен быть логический ноль, если он присутствует хотя бы на одном входе. Если это условие выполняется, то соответствующий диод отперт, ток через резистор R и напряжение на нём относительно больше и поэтому выходное напряжение мало – на выходе логический ноль. Если на обоих

                               

            Рис. 16.10. Диодный логический элемент И.

входах логическая единица, то диоды прикрыты ток через резистор и напряжение на нём незначительны и выходное напряжение мало отличается от напряжения питания  Е – на выходе логическая единица.

                            В) Логические элементы НЕ.

Логический элемент НЕ (инвертор) должен инвертировать логический сигнал: логическая единица на входе (высокий потенциал) должна обеспечивать логический ноль (низкий потенциал) на выходе и наоборот.

 Как известно, подобным свойством обладает ключевой каскад, собранный по схеме  с общим эмиттером (рис.16.11).

                       

Рис. 16.11. Логический элемент НЕ на транзисторе.

Так, если на базу биполярного транзистора из кремния n-p-n типа воздействует положительное напряжение достаточной величины (логическая единица), то коллекторный ток достигает значения тока насыщения:

                                            =  =                                        (16.13)

а напряжение на коллекторе уменьшается до значения близкого к нулю.

                                               =  -  ≈ 0                                  (16.14)

При воздействии на базу небольшого положительного напряжения (логический ноль) кремневый транзистор практически заперт ( ≈ 0,6В) при этом  ≈ 0, а  ≈ .

Логические элементы являются базовыми элементами цифровых вычислительных машин (компьютеров). В импульсных цепях и устройствах они используются в качестве ключей и элементов ключевых схем.

                      З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Материалы, приведённые в настоящем курсе лекций, по существу, знакомит студентов только с наиболее распространёнными типами элементов и компонентов, применяемых в электронике, и основными способами и приёмами построения типовых электронных узлов. Значение этих сведений при изучении соответствующих курсов, видимо, сохранится ещё в течение длительного времени. Безусловно, по мере развития микроэлектроники и нанотехнологий всё большую роль будут играть системо-технические вопросы, связанные с рациональным построением сложных электронных систем на основе достаточно сложных законченных функциональных микроузлах. Существенно обновится элементная база, основанная на приборах, созданных на основе нанотехнологий.

Но все изменения, которые произойдут в течение обозримого будущего, не коснутся одного – умения понимать сущность физических процессов, протекающих в электронных цепях различного назначения.

Если эта книга позволит выработать у студентов первичное представление о работе электронных устройств, что в дальнейшем станет возможным пользование специальной литературой, то автор будет считать свою задачу выполненной.

 

               

    

 

                               Л и т е р а т у р а

1.  Андреев В.В., Физические основы электроники и её современные приложения. – М.: РУДН, 2008.- 383 с.

2.  Батушев В.А., Электронные приборы. – М. «Высшая школа», 1980.- 383 c.

3.  Бочаров Л.Н., Электронные приборы. – М. «Энергия», 1979.- 368 с.

4.  Берикашвили В.Ш., Черепанов А.К., Электронная техника. – М. «Форум», 2019.- 367 с.

5.  Викулин И.М., Стафеев В.И., Физика полупроводниковых приборов. – М. «Советское радио», 1980.- 264 с.

6.  Гальперин М. В., Электронная техника. – М. «Форум», 2014.- 352 с.

7.  Гуртов В.А., Твердотельная электроника. – М. «Техносфера», 2005.- 492 с.

8.  Гусев В.Г., Гусев Ю.М., Электроника и микропроцессорная техника. М. «Норус», 2013.- 800 с.

9.  Зи С., Физика полупроводниковых приборов. –М.«Мир», 1984.- 456 с.

10.  Лачин В.И., Савёлов Н.С., Электроника. – М. «Феникс», 2000.- 448 с.

11.  Москатов Е.А., Электронная техника. Начало – М. «Феникс», 2010.- 204 с.

12.  Наумкина Л.Г., Электроника. – М. «Горная книга», 2007.- 331 с.

13.  Петров К.С., Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. – Л. «Питер», 2006.- 524 с.

14.  Сиренький И.В., Рябинин В.В., Голощапов С.Н., Электронная техника. – Л. «Питер», 2006.- 412 с.

15.  Слуцкий В.З., Фогельсон Б.И., Импульсная техника и основы радиолокации. – М. Воениздат, 1975.- 439 с.  

16.  Тице У, Шенк К., Полупроводниковая схемотехника. – М. «Мир», 1983.- 512 с.

17.  Харченко В.М., Основы электроники. – М. Энергоиздат, 1982.- 352 с.