Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Значит„при анализе БЯ можно с равным основанием считать исходным любое нз двух возможных устойчивых состояний. Цель управления бистабильной ячейкой состоит в том, чтобы с помощью внешних сигналов задавать то или иное из двух устойчивых состояний. Установка состояния БЯ. Для реализации режима установки, параллельно каждому из транзисторов, входящих в состав БЯ, подключается еще один транзисторный ключ (ТЗ нли Т4., рис. 8.28, а). Эти ключи управляются внешним сигналом — током базы, принимающим одно из двух значений: 1в или О.
Функции управляющих ключей аналогичны функциям металлических контактов: они могут быть либо замкнуты, либо разомкнуты. Пусть в исходном состоянии БЯ транзистор Т1 заперт, Т2 открыт и насыщен, а оба ключа ТЗ и Т4 заперты. Если отпереть транзистор Т4 током 1о, то состояние БЯ не изменится, так как напряжение У„з в исходном состоянии уже было близко к нулю. Если же отпереть транзистор ТЗ, то потенциал У„, падает до нуля; вместе с ним падает до нуля потенциал базы 329 8.8. Бнстабильные ячейки и триггеры (гнь б) а) Рис. 8.28. Схема (а) и временные диаграммы (б) симметричного триггера с раздельными входами установки Уаз, а значит, транзистор Т2 запирается. При етом благодаря регенерации транзистор Т1 отпирается до насыщения.
После того как достигнуто новое устойчивое состояние, ключ ТЗ теряет свое управляющее действие; его «размыкание» и «замыкание» не менЯют потенЦиалов У„1 и Убг, близких к нУлю. Чтобы вернуть БЯ в исходное состояние, нужно теперь отпереть транзистор Т4. Необходимо подчеркнуть, что одновременное поступление отпирающих импульсов на оба входа в данной схеме недопустимо. Действительно, если отпирающие сигналы действуют одновременно, то на базах обоих транзисторов Т1 и Т2 будет нулевой потенциал и оба зти транзистора будут заперты.
По окончании сигналов оба транзистора откроются, т. е. БЯ окажется временно в симметричном состоянии. Из етого состояния, как показано выше, БЯ с равной вероятностью может перейти в любое из двух устойчивых состояний. Значит, результат одновременного действия отпирающих сигналов оказывается неоднозначным, что неприемлемо в цифровых схемах.
Рассмотренный вариант БЯ, работающий в режиме раздельных входов, получил название ВЗ-триггера~. 1 Буква 8 — начальная в слове ае) (установление), буква  — начальная в слове севе) (переключение). Следовательно, сигнал на входе Б устанавливает начальное (исходное) состояние БЯ, а сигнал на входе В меняет это состояние. Глава З. Осковм акфровой схемотехккки ззо Переходные процессы. Разумеется, переход БЯ из одного устойчивого состояния в другое происходит не мгновенно, поскольку каждому ключу, входящему в ее состав, свойственна инерционность при изменении токов и напряжений.
Переходный процесс протекает следующим образом. Пусть в исходном состоянии транзистор Т1 заперт, а Т2 открыт (рис. 8.28), и пусть в момент ) = О скачком отпирается (до насыщения) управляющий ключ Т3. Тогда на 1-м этапе переходного процесса происходит запнрание транзистора Т2, т. е. рассасывание избыточного заряда в его слоях, а затем быстрый спад до нуля коллекторного тока (см.
равд. 8.3). Далее, на 2-м этапе, заряжается входная емкость транзистора Т1. Когда напряжение У 1 достигает значения У*, транзистор Т1 отпирается. На 3-м этапе происходит нарастание тока 1„1; этот этап заканчивается насыщением транзистора Т1. На 4-м этапе происходит накопление избыточного заряда в слоях насыщенного транзистора (см.
разд. 8.3). Из сказанного следует, что общее время переключения триггера (т„) складывается из следующих основных составляющих: времени рассасывания Ф, задержки фронта т,ф, длительности фронта сф и времени накопления 1„: (8.61) ~о ~э+ ~еф ~ ~в+ Ск Значения перечисленных составляющих определяются соответствующими выражениями в разделе 8.3. Напомним, что в случае достаточно коротких входных сигналов время накопления согласно (8.22) определяется длительностью входного сигнала. В пределе, если с+ = с,ф + )е, накопления избыточного заряда не происходит и т„= О.
Таким образом, максимальная рабочая частота триггера определяется временем переключения прн условии т„= О: Р =(ю +те +тф)". (8.62) Например, если с = б нс, с, =3 нс и С = 2 нс, то Р„,„, = 1ОО МГц. 8.9, Триггер Шмитта В основе триггера Шмитта лежит переключатель тока, рассмотренный в разделе 8.6. Для того, чтобы подчеркнуть эту ЗЗ1 З.В. трют р Пунктик преемственность, в схеме триггера Шмитта (рис. 8. 29) переключатель тока изображен непрерывными линиями, а делитель напряжения Вм Вз— штриховыми. С этой же целью потенциал Усз обозначен через Е, хотя в данном случае величина .Е не постоянная.
Для упрощения анализа идеализи- 2 руем делитель В, Вз, считая, что он не потребляет тока и только передает Рке. я.29. 'триггер Шмимта часть напряжения Ук на базу транзистора Т2: Е = уУы, где у = Вз/(В1 + Вз). Пусть в исходном состоянии транзистор Т1 заперт, а Т2 открыт, но работает в активном режиме. Такому состоянию отвечают следующие значения потенциалов: Ук1 = Ек' Е = уЕк) Укз = Ек 1еВк. Активный режим транзистора Т2 подразумевает выполнение условия Укз > Е, откуда легко получить ограничение на величину 1сВкз. Исходное состояние сохраняется до тех пор, пока транзистор Т1 остается запертым, т.
е. при входных напряжениях, меньших Е. Обозначим через У,'„напряжение отпирания транзистора Т1: У,'„=Š— 5=у.Е, — 5, (8,бЗ) где б = 0,1 В. Коли Е„= б В и у =)з, то У' = 2,4 В. Пусть входной сигнал У,„немного превысил напряжение отпирания и в результате появилось малое приращение тока ЛЕк . Тогда получается следующая цепочка взаимодействий: ЛУ., =-АУ„,В.; ЛЕ =уЛУ„,; ЛУ, =ЛЕ (последнее равенство предполагает,что прямое напряжение на эмиттерном переходе не меняется и остается равным У*).
Под 332 Глава 3. Основы цифровой схемотехники действием приращения ЛУ, возникает дополнительное прира- щение коллекторного тока: Л1 к1 = ЗЛУз = у81»кЛ1к1» где Я вЂ крутиз транзистора". Если произведение УЯВк превышает единицу, то дополнительное приращение ЛТ„1, получившееся при обходе замкнутой цепи, будет больше исходного приращения Л1,1. Значит, в схеме развивается регенеративный (лавинообразный) процесс, в результате которого ток 1 переходит в транзистор Т1, а транзистор Т2 запирается. Напряжение У,"„, при котором происходит скачкообразное переключение тока 1О из транзистора Т2 в Т1, называют напряжением срабатывания триггера.
После срабатывания потенциалы в схеме имеют вид: Ук1 Укз Е У Уко» Укз Ек» где ӄΠ— коллекторный потенциал открывшегося транзистора Т1. В зависимости от параметров 1О и 11„1 транзистор Т1 после срабатывания может работать как в активном режиме, так и в режиме насыщения. Типичным является активный режим. В таком случае (8.64) Укз = Ек — 1ОЕ 1» причем У„з > У,'„(поскольку потенциал базы сохраняет свое значение в процессе срабатывания).
Чтобы вернуть триггер в исходное состояние, нужно уменьшить входной сигнал до значения, близкого к Е„при котором начинает отпираться транзистор Т2. Обозначим через У,„напряжение отпирания транзистора Т2: Узх =Е+ 6 = УУко (8.65) 1 Знак мнкус в соотношении между приращениями Лг»1 и ас», объясняется тем, что у л-р-к-транзисторов ток возрастает при ожрнилжглзкои приращении змнттерного потенциала.
333 8.9. триггер Шмнтта вк Пвык гз г Рис. 8.30. Передаточная характери- стика триггера Шмитта Рис. 8.31. Временные диаграммы при использовании триггера Шмитта в качестве дискриминатора амплитуды и формирователя импульсов Если положить у = 1/2 и У„о = У,'„= 2,4 В 1см. (8.63)], то У,, 1,3В. Как только напряжение У„сделается меыьше У,„, транзистор Т2 начинает отпираться и развивается регенеративный процесс, подобный описанному выше. В результате триггер скачком возвращается в исходное состояние, в котором транзистор Т1 заперт, а транзистор Т2 — открыт. Напряжение У,„, при котором происходит скачкообразное переключение тока из транзистора Т1 в Т2, называют напряжением отпуснания триггера.
Пренебрегая малой величиной б и учитывая равенство У„с = У,'к, находим из (8.65), что напряжение отпускания меньше напряжения срабатывания. Такое соотношение принципиально для триггера Шмитта. Часто вместо терминов «напряжение срабатывания» и «напряжение отпускаыия» используют более общие термины: порог срабатывания и порог отпускания. В соответствии с этими терминами триггер Шмитта называют пороговым устройством. Выходной сигнал в триггере Шмитта снимают с коллектора транзистора Т2. Поскольку этот коллектор — «свободный» (т. е. не связан с цепью обратной связи), а транзистор Т2 работает в ыенасыщеыном режиме, длительность переходных процессов оказывается предельно короткой — гораздо меньшей, чем у БЯ. Это одно из важных преимуществ триггера Шмитта перед другими триггерами.
На рис. 8.30 показана передаточная характеристика триггера Шмитта, где У,„„= У„г. Как видим, наличие двух пороговых напряжений приводит к появлению на характеристике ззе Глава 8. О«левы цвфровей схеметехлвкв «петли гистерезиса», ширина которой составляет У,„- У,„. При полученных выше значениях У~х и У,„ширина «петли гистерезиса» составляет около 1,1 В. На рис. 8.31 иллюстрируется типичный способ использования триггера Шмитта в качестве порогового устройства, При плавном нарастании У,„, начиная с нуля, схема находится в исходном состоянии (Т1 заперт).
Как только У„достигает значения У;„, происходит срабатывание триггера, транзистор Т2 запирается и на выходе получается положительный скачок напряжения. Если входной сигнал не достигает порога срабатывания, то выходной сигнал (скачок) отсутствует. Следовательно, триггер Шмитта позволяет «сортировать» входные сигналы по их амплитуде: больше У,'„или меньше У,'„.
Устройства такого рода называют амалитуднь»ми анализаторами или дискриминаторами (различнтелями). Если амплитуда входных сигналов заведомо больше, чем порог срабатывания, то функция триггера Шмитта меняется: он превращается в так называемый формирователь импульсов. Эта функция означает, что плавные входные сигналы с меняющейся амплитудой «превращаются» в стандартные (по амплитуде) прямоугольные импульсы с короткими фронтами. Такое преобразование часто необходимо на практике. В заключение отметим, что при достаточно больших входных сигналах (У,„> У,'„) транзистор Т1 оказывается в режиме насыщения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
