книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Наиболее пригодным для этого является транзистор П16, предназначен­ ный для переключающих схем. В справочных материалах приводятся значе­ ния следующих параметров и предельных режимов:

Uк.к — 0 11 В

Значения параметров соответствуют нормальной температуре. Как будет показано ниже, предъявляемым к транзисторному ключу требованиям отве­ чает схема, приведенная на рис. 9. 22. Эта схема очень часто применяется как самостоятельный ключ, а также как составная часть триггерных элементов.

Для обеспечения стабильности амплитуды напряжения и снижения кри­ тичности схемы к коэффициенту усиления транзистора устанавливаем режим насыщения.

При этом условии сопротивление коллекторной нагрузки можно опреде­ лить из выражения

Теперь можно определить ток базы, необходимый для обеспечения выходного тока при минимальном коэффициенте усиления

на базе, то можно считать, что амплитуда выходного импульса равна напря­

132

Г л а в а X

СТАТИЧЕСКИЙ ТРИГГЕР

§ 10. 1. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ТРИГГЕРА

Статический триггер — наиболее распространенное импульс­ ное устройство, которое выполняет функции хранения информа­ ции, быстрого включения токов и напряжений, формирования и усиления импульсов, а также деления и счета числа импульсов.

Триггер представляет собой двухкаскадный реостатный уси­ литель, в котором выход первого каскада включен на вход вто­

100%-ную положительную об­ ратную связь.

Основная, наиболее часто применяемая, схема триггера приведена на рис. 10.1. Как видно из рисунка, это два тран­ зисторных ключа, рассмотрен­ ных в предыдущей главе (см. рис. 9.22). Вход каждого ключа соединен с выходом дру­ гого. Схема симметричная, т. е.

соответствующие элементы каждого плеча одинаковы и транзи­ сторы однотипные:

R n l = Ru2, R 1 — R2', ^ 6 1 = ^112-

Триггер имеет два устойчивых состояния равновесия, в каж­ дом из которых он может находиться сколь угодно долго. Пере­ ход триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро (скачком) под действием запускающих импульсов.

Рассмотрим работу триггера. В первый момент после включе­ ния триггера оба транзистора будут открыты, так как на базу транзистора поступит отрицательное напряжение от источника коллекторного питания Ёк через цепь RC. Однако такое состоя­ ние устройства неустойчиво. Как известно, в каждой электриче­ ской системе в любой момент времени действуют мгновенные изменения токов и напряжений, вызванные флуктуациями и не­ стабильностью источников питания. Это вызывает неравномерное изменение значений токов и напряжений в транзисторах, в ре­ зультате чего устройство обязательно перейдет в одно из состоя­ ний устойчивого равновесия.

Процесс этот происходит следующим образом. Допустим, что в силу каких-либо из отмеченных выше причин потенциал на базе транзистора Т2 относительно эмиттера (рис. 10.1) увеличится. Это приведет к уменьшению его коллекторного тока и снижению

134

потенциала коллектора за счет уменьшения падения напряжения на коллекторном резисторе RJ<2. Изменение потенциала коллек­ тора транзистора Т2 передается через емкость С2 на базу тран­ зистора Т\. Уменьшение потенциала базы транзистора Ті приве­ дет к увеличению его коллекторного тока, а следовательно, и по­ тенциала коллектора. Увеличение же потенциала коллектора транзистора Тх передается через емкость Сі на базу транзи­ стора Т2. Новое увеличение потенциала базы транзистора Т2 при­ ведет к еще большему уменьшению его коллекторного тока, к еще большему уменьшению его коллекторного потенциала и потенциала базы транзистора Ти к еще большему увеличению потенциала коллектора транзистора Ті и, следовательно, базы транзистора Т2 и т. д.

Этот процесс уменьшения коллекторного тока транзистора Т2 и увеличения коллекторного тока транзистора Ті будет разви­ ваться лавинообразно и прекратится тогда, когда транзистор Т2 запрется, а транзистор Т\ полностью откроется. Эпюры напря­ жений и токов триггера представлены на рис. 10.2. Описанному процессу соответствует момент времени t\. Транзистор Тх нахо­

Устойчивое состояние триггера, при котором один транзистор открыт, а другой заперт, достигается определенным подбором величин коллекторных сопротивлений цепи связи и источников

—Ек и +Eg.

Состояние триггера, соответствующее открытому транзистору Т1 и закрытому Т2, может быть описано с помощью эквивалент­ ной схемы, приведенной на рис. 10.3. На коллекторе запертого транзистора напряжение почти равно по величине напряжению источника питания, и делитель R2R^\ обеспечивает отрицательное напряжение на базе Т\ и таким образом поддерживает его в со­

Как видно из рис. 10.3, ток /бі состоит из разности двух токов:

Следовательно, условие насыщения можно записать в виде

На коллекторе транзистора Ті в режиме насыщения напря­ жение приблизительно равно 0, поэтому на базу транзистора Т2

135

через делитель R\Rs2 подается положительное смещение от источника +£б-

Для запирания транзистора напряжение на его базе должно'

т. e. условие запирания транзистора может быть записано в виде

запирание одного транзистора вызывает отпирание второго; про­

135

воздействие запускающего сигнала, например, на базу запертого транзистора Т2 подать импульс напряжения отрицательной по­ лярности. Этот импульс уменьшит потенциал базы запертого транзистора. Отпирание транзистора Т2 вызовет описанный выше лавинообразный процесс. В результате транзистор Т2 скачком перейдет в открытое состояние, а 7\ — в закрытое.

Величина амплитуды запускающего импульса долщна быть достаточной для отпирания транзистора Ть так чтобы выполня­ лось условие развития лавинообразного процесса.

Новое состояние равновесия в отсутствии внешнего запускаю­ щего сигнала будет также устойчиво.

Чтобы вернуть устройство в исходное состояние равновесия, необходимо на базу транзистора Т2 подать сигнал запуска поло­ жительной полярности или на базу транзистора Тх— отрица­ тельной.

Транзистор Т2 снова закроется, а транзистор Тх откроется, т. е. подавая на вход триггера сигналы запуска положительной или отрицательной полярности, можно переключать устройство из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на выходе будет скачком изменяться от максимального значения до минимального, и наоборот. Выходной сигнал представляет со­ бой импульсы прямоугольной формы (см. рис. 10.2).

В триггерном устройстве безразлично, что считать входом, базу первого или второго транзистора, так как каждый каскад по отношению к другому представляет собой цепь положитель­ ной обратной связи. Выходом устройства может быть также кол­ лектор любого транзистора. Величина выходного сигнала триг­ гера определяется из соотношения

§10.2. НЕНАСЫЩЕННЫЙ ТРИГГЕР

Врассмотренной схеме триггера в устойчивом состоянии один транзистор заперт, а другой в режиме насыщения. Насыщенная схема наиболее надежна, стабильна и требует наименьшего ко­ личества деталей. Однако высокое быстродействие в такой схеме не может быть получено.

Время переключения триггера из одного состояния в другое определяется инерционностью транзистора, обусловленной вре­ менем рассасывания неосновных носителей при выходе транзи­ стора из режима насыщения.

При работе на высокой частоте, когда требуется высокое ібыстродействие схемы, необходимо, чтобы рабочая точка не за­ ходила в область насыщения.

137

Для предотвращения насыщения в транзисторе используют нелинейную связь пли фиксацию напряжения на коллекторе с помощью диодов.

На рис. 10.4 приведена схема триггера, в котором для повы­ шения быстродействия применены фиксирующие диоды Д\ и Д? и дополнительный источник —Дд. Когда на коллекторе напряже­ ние уменьшается до значения, равного напряжению фиксации —Дд, то диод открывается и напряжение на коллекторе не смо­ жет упасть ниже величины Ел. Необходимо помнить, что хотя

фиксирующие диоды и помогают предотвратить насыщение, однако они сами имеют определенное время установления пря­ мого сопротивления и восстановления обратного сопротивления и тем самым вносят некоторую задержку. Очевидно, фиксирую­ щие диоды надо выбирать с малым временем восстановления, необходимым для быстрого обратного возврата из состояния про­ водимости в исходное. Опорное напряжение целесообразно выби­ рать в диапазоне 0,5ч-1 В.

Для лучшего использования напряжения коллекторного пита­ ния следует обеспечить режим открытого транзистора на грани насыщения, т. е.

J IК . Е\<

ßРмцңЛк

При поступлении на базу транзистора запирающего потен­

циала ток коллектора уменьшается по экспоненциальному закону.

ß _ ß

Когда ток коллектора уменьшится до величины

Ек

диод закроется и начнется резкое снижение потенциала кол­ лектора. Следовательно, время переключения схемы в этом слу­ чае определяется в основном временем, пока диод находится

138

открытым (при больших токах диода это время может быть зна­ чительным) .

Наиболее распространенным способом предотвращения насы­ щения является введение в схему триггера нелинейной обратной связи. На рис. 10.5 представлена схема триггера, в которой для предотвращения насыщения использованы диоды нелинейной обратной связи.

Когда транзистор заперт, к диодам прикладывается в обрат­ ном направлении напряжения коллекторного питания. Диод на­ ходится в запертом состоянии до тех пор, пока напряжение на коллекторе не станет (по абсолютной величине) ниже, чем напря­ жение на базе. Это может произойти лишь тогда, когда рабочая точка находится на границе насыщения (диод включен непосред­ ственно в цепь базы) или в активной области вблизи области насыщения (диод подключен к делителю в цепи базы, как пока­ зано на рис. 10.5). При этом через открытый диод будет отво­ диться избыточный ток базы на коллектор, минуя транзистор, т. е. дальнейшее увеличение входного тока не влияет на режим транзистора.

Падение напряжения на резисторе R / поддерживает диод в прямом включении. Величина сопротивления определяется из условия

■'см/ F-

где І1Я— прямое падение напряжения на диоде. Остальные пара­ метры выбирают так же. ка:к и в насыщенном триггере.

Схема с нелинейной обратной связью, помимо высокого быстродействия, имеет высокую чувствительность и самое глав­ ное — некритичность к параметру ß, т. е. схема нечувствительна к изменению коэффициента усиления в широких пределах.

Можно исключить режим насыщения и без специальных мер, выбором рабочей точки в активной области, однако этот метод не рекомендуется, так как в этом случае работа схемы будет довольно сильно зависеть от изменения параметров схемы и тран­ зисторов, а следовательно, будет существенно нестабильной.

§ 10. 3. СПОСОБЫ ЗАПУСКА ТРИГГЕРА

Форму запускающих импульсов желательно иметь остроко­ нечной с плавно спадающим задним фронтом (см. рис. 10.2). При других формах запускающих импульсов, например прямо­ угольной, возможно обратное срабатывание устройства. Это обусловлено воздействием импульса противоположной полярно­ сти, появляющегося на базе в момент заднего перепада запу­ скающего импульса, что происходит вследствие дифференциро­ вания запускающего импульса на ускоряющей емкости.

Как показано на рис. 10.6, прямоугольный запускающий импульс дифференцируется на цепи CRe и на базу поступают уже

139

два импульса разной полярности, сдвинутые во времени. Каждый из импульсов переключает схему. Таким образом, в результате запуска прямоугольным импульсом триггер может оказаться в прежнем состоянии. Длительность запускающих импульсов не­ обходимо выбирать больше времени переключения. Обычно дли­

Триггеры запускают при подаче запускающих импульсов че­ рез конденсатор на базу или на коллектор одного из транзисто­ ров, если запускающие импульсы имеют чередующуюся поляр­ ность (см. рис. 10.2), а переключение происходит при подаче импульса, полярность которого обратна полярности предыду­ щего импульса.

Если триггер применяют в качестве счетчика или делителя числа импульсов, то запускающие импульсы подаются от общего источника через конденсаторы малой емкости одновременно на оба коллектора или обе базы транзисторов.

§ 10.4. ЗАПУСК, ТРИГГЕРА ПО ЦЕПИ КОЛЛЕКТОРА

Наиболее широко применяются диодные схемы запуска триг­ гера. Примеры подобных схем запуска по цепи коллектора триг­

рис. 10.7, отрицательные запускающие импульсы должны пода­ ваться поочередно на коллектор того транзистора, который к мо­ менту воздействия запускающего импульса находится в откры­ том состоянии. При этом запускающий импульс через цепь RC поступает на базу закрытого транзистора и приводит к переклю­ чению триггера.

Поступление одновременно с этим отрицательного запускаю­ щего импульса на коллектор другого (закрытого) транзистора

140

и, следовательно, оттуда на базу открытого транзистора нежела­ тельно, так как дополнительное уменьшение напряжения на базе этого транзистора затрудняет переключение. Работа устройства оказывается в этом случае ненадежной.

Функцию распределения запускающих импульсов поочередно к коллекторам только открытых транзисторов выполняют диоды

Ді

и запирающее напряжение диода будет небольшим. Транзистор Т2 в это время находится в закрытом состоянии. Напряжение на его коллекторе приблизительно равно —Ек.

При отсутствии запускающих импульсов падение напряжения на резисторе R равно 0 и диод Д 2 заперт напряжением Ек. При подаче запускающего импульса, амплитуда которого выбирается несколько меньшей, чем амплитуда выходного напряжения, но значительно больше остаточного UK.н, диод Д 2 останется попрежнему в запертом состоянии, и запускающий импульс на кол­ лектор транзистора Т2 не пройдет. Диод Д і отпирается сразу лее, как только потенциал импульса этого диода окажется ниже по­ тенциала коллектора Т\. После этого импульс запуска через открытьи! диод Ді и цепь R\C\ попадает на базу Т2, что приводит к переключению триггера.

Время переключения триггера значительно короче длитель­ ности запускающих, импульсов. Поэтому еще до окончания запу­ скающего импульса происходит обратное переключение триггера (транзистор Ті запирается, а Т2 открывается). В этом состоянии диод Д 1 должен быть заперт, а Д 2 открыт и запускающий им­ пульс, казалось бы, должен пройти через диод Д 2 на коллектор транзистора Т2 и затем через цепь R2C2 на базу транзистора Ть

141