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

что вызывает переключение триггера в первоначальное состоя­ ние. В результате оказывается, что запускающий импульс не изменил состояние триггера.

Устранить обратное переключение триггера позволяют запо­ минающие элементы в триггере. Они как бы запоминают состоя­ ние, в котором находился триггер, и позволяют перейти только в противоположное состояние. Запоминающими элементами являются форсирующие емкости Сі и С2. Величины этих емко­ стей выбираются такими, чтобы за время переключения триггера

и запускающий импульс окончится быстрее, чем перезарядится емкость С2, то диод Д2 не откроется и обратного переключения не произойдет.

Медленный заряд емкости обусловливает затянутый фронт выходного импульса триггера (см. рис. 10.2 момент времени t\ для транзистора Т\).

После переключения схемы начинается разряд конденсаторов Сі и С2. Ток разряда сначала имеет максимальную величину, а затем по мере разряда снижается по экспоненциальному за­ кону. Этот ток на резисторе Re создает падение напряжения в форме остроконечного импульса на базе, а падение напряже­ ния на RK затягивает задний фронт импульса выходного напря­ жения (см. рис. 10.2).

В связи с этим постоянная времени перезаряда емкости дол­ жна быть меньше периода следования запускающих импульсов. В противном случае напряжения на коллекторе и базе не успе­ вают достигнуть установившихся значений.

Таким образом, постоянная времени разряда конденсатора ограничивает максимальную частоту работы триггера. Поэтому емкость конденсатора Сі и С2 для повышения частоты триггера следует выбирать возможно меньшей величины, однако брать их слишком малым нельзя, так как они являются запоминающими элементами. Кроме того, необходимо выполнять условие Сь С2» С К. Практически величины емкостей выбирают 200—1000 пФ.

142

Следующий запускающий импульс через диод Д2 и цепь R2 C2 попадает на базу теперь уже закрытого транзистора Г] и не прой­ дет через запертый диод До.

Схема, используемая при положительной полярности запу­ скающих импульсов, приведена на рис. 10.8. Эта схема отли­ чается от описанной ранее лишь тем, что полярность включения диодов противоположная и резистор R подключен к —£ к.

Диод Д 1, подключенный к коллектору открытого транзистора Г], оказывается в запертом состоянии. Положительный запу­ скающий импульс через диод Д 2 попадает на коллектор запер­ того транзистора, а затем через цепь C2 R2 на базу открытого, что приводит к переключению триггера.

Этот же импульс не может попасть на коллектор открытого транзистора Ти так как диод Д\ заперт напряжением Ек, по вели­ чине превышающим амплитуду импульса запуска.

Запуск триггера через диоды обладает еще одним существен­ ным преимуществом. Вследствие того, что скорость нарастания коллекторного напряжения, как правило, превышает скорость нарастания запускающего импульса, то диод, через который про­ ходит импульс, в самом начале процесса переключения схемы запирается и цепь запуска вместе с конденсатором С оказы­ вается отключенной от триггера. Это позволяет повысить ско­ рость переключения триггера и производить запуск схемы импульсами, имеющими форму, отличающуюся от остроконеч­ ной, а также устранить обратное воздействие триггера на источ­ ник управляющих импульсов.

§ 10.5. ЗАПУСК ТРИГГЕРА ПО ЦЕПИ БАЗЫ

Выходное напряжение триггера обычно снимается с коллек­ тора транзистора, сюда же поступают и запускающие импульсы. Если необходимо исключить попадание импульсов запуска на вход следующих каскадов, связанных с коллекторами транзисто­ ров триггера, то следует применить схему запуска триггера по цепи базы. Как и запуск по цепи коллектора, запуск по цепи базы можно осуществлять как положительными (рис. 10.10), так и отрицательными импульсами (рис. 10.11).

При отсутствии запускающих импульсов оба диода заперты напряжением Е3 (см. рис. 10.10). Положительный запускающий импульс отпирает сразу оба диода и поступает на базы обоих транзисторов. В результате открытый транзистор запирается и вызывает переключение схемы. То же самое происходит, если запускающие импульсы отрицательной полярности поступают на вход схемы, показанной на рис. 10.11.

Недостатком схемы является то, что запускающий импульс поступает и на базу запертого транзистора, что препятствует переключению схемы.

143

Как в случае запуска триггера по цепи базы, так и в случае запуска по цепи коллектора, предпочтение следует отдать схеме, в которой триггер переключается не запирающими, а отпираю-

щими (отрицательными) импульсами. Это обусловлено тем, что для переключения транзистора из открытого состояния в закры­ тое требуется большая энергия, чем из открытого в закрытое.

§10. 6. ТРИГГЕР С АВТОМАТИЧЕСКИМ СМЕЩЕНИЕМ

Втех случаях, когда применение дополнительного источника положительного смещения + Еъ затруднительно, можно восполь­ зоваться схемой с автоматическим смещением (рис. 10.12). На­

пряжение смещения создается на эмиттерном резисторе R3, шунти­ рованном конденсатором С3. Кон­ денсатор Cg позволяет улучшить фронты выходных импульсов вследствие увеличения тока базы при переключении.

Работа триггера с автоматиче­ ским смещением в основном ана­ логична работе триггера с внеш­ ним смещением. При открытом транзисторе Т\ через него проте­ кает большой ток, который со­ здает на эмиттерном сопротивле­

нии отрицательное падение напряжения £/э= (/к.н+/б.н)^э. Это равносильно тому, что на базе транзистора Т2 напряжение стало положительным относительно эмиттера, т. е. транзистор Т2 заперт.

144

Транзистор Ті поддерживается в открытом состоянии отрица­ тельным смещением, подаваемым с коллектора запертого тран­ зистора на базу через резистор R ь

Переключение триггера из одного устойчивого состояния в другое происходит точно так же, как и в схеме с внешним сме­ щением.

Схема триггера с автоматическим смещением менее устой­ чива, особенно в широком диапазоне температур, имеет более низкую нагрузочную способность, большее количество элементов и дополнительный расход мощности за счет протекания тока по резистору R3. Кроме того, в этой схеме ниже коэффициент использования напряжения источника коллекторного питания за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении.

Постоянная времени цепи R3C3 должна быть значительно больше времени переходных процессов в триггере с тем, чтобы напряжение смещения было постоянным. Практически Сэ выби­ рают 0,1—0,5 мкФ.

§ 10.7. РАСЧЕТ ТРИГГЕРА

Расчет статического триггера, как и транзисторного ключа, можно разделить на два этапа: расчет статического режима и расчет переходных процессов при переключении триггера.

Расчет статического режима заключается в выборе величин Ек и Еб и вычислении сопротивлений RK, R u Еб из условий надеж­ ного запирания и отпирания транзистора, которые должны вы­ полняться в триггере одновременно.

Время переключения триггера и максимальная частота им­ пульсов запуска рассчитываются с учетом выводов, сделанных при расчете переходных процессов транзисторного ключа. Обычно максимальная частота триггера и время его переключе­ ния являются исходными данными к расчету элементов триггера.

Таким образом, исходными данными для расчета элементов триггера являются: амплитуда выходного напряжения, напряже­ ние питания, минимальное время переключения, максимальные частота и нагрузка.

Если триггер предназначен для работы в широком диапазоне температур, то при расчете схемы следует учитывать возможные изменения параметров транзистора от температуры.

Так, например, с ростом температуры значительно возрастает /ь-о и ß. Возрастание коэффициента усиления приводит к повыше­ нию чувствительности триггера. Рост /к0 вызывает снижение на­ пряжения на запертом транзисторе (за счет увеличения падения напряжения на RK), и, следовательно, снижение величины тока базы открытого транзистора. В целом это ухудшает стабильность триггера и снижает амплитуду выходного импульса.

145

При низких температурах схема становится более устойчи­ вой, но труднее переключается и запускается.

Обычно в справочниках указывают возможные изменения параметров транзисторов от температуры.

Расчет триггера с внешним смещением

Рассчитаем триггер, управляемый остроконечными импуль­ сами и предназначенный для получения напряжения прямоуголь­ ной формы.

Исходные данные:

1)амплитуда выходного напряжения Um\

2)длительность фронта (положительного перепада) выход­ ного напряжения

3)длительность спада (отрицательного перепада) выходного напряжения tc;

4)максимальная частота следования запускающих импуль­ сов fm.

П о р я д о к р а с ч е т а

1.Выбираем симметричную схему с самостоятельным смеще­ нием (см. рис. 10. 10).

2.Определяем напряжение источника коллекторного питания

по формуле £ к=1,2 Um.

3.Выбираем величину Ев. При этом следует иметь в виду, что «сильное» запирание транзистора снижает быстродействие триг­ гера. Напряжение смещения обычно выбирается из условия Еъ<0,2Ек. Вследствие того, что кремниевые транзисторы имеют напряжение насыщения П„.Н= 1В и выше, то для триггера на кремниевых транзисторах £б следует выбирать на 1—2 В выше, чем для германиевых.

4.Выбираем тип транзистора.

Целесообразно выбрать транзистор, предназначенный для импульсных схем так, чтобы работа триггера возможно полно определялась параметрами, которые оговорены в справочных данных.

Расчетные соотношения для выбора транзистора:

а) для надежного запирания транзистора необходимо, чтобы ток смещения / см = - ^ - 2 / ' 0, где / ^ —обратный ток коллек-

торного перехода для максимальной рабочей температуры и на­ пряжения с учетом старения за срок службы;

б) для надежного открывания транзистора необходимо, чтобы выполнялось условие 0,5 Рмин/б.мин>/ц (значение ß при макси­ мальной температуре с учетом старения), т. е. ток базы должен обеспечить режим насыщения и требуемый ток нагрузки;

146

в) максимальная рабочая частота триггера /макс—О,5/., а

димо проверить, не превышает ли амплитуда положительного всплеска напряжения в базе максимально допустимого значения напряжения ^ э.б.макс.

5. Величину сопротивления коллекторной нагрузки выбираем из следующих соображений: с одной стороны, должно выпол­

отсутствие перегрузок по току; с другой стороны, согласно соот-

— т

ношению /?KÄ (1,0-*-2) — сопротивление коллектора следует

выбирать возможно меньшей величины. Это повышает быстро­ действие триггера и нагрузочную способность. Значение Rl( обычно выбирают 1—5 кОм.

Преобразуем это соотношение к виду

К . н + Р К о

Как известно, параметры транзисторов даже в пределах одной группы существенно отличаются. Кроме того, их значения зави­ сят от окружающих условий, поэтому в схеме триггера это усло­ вие насыщения должно выполняться при наихудших условиях, т. е.

ң < ___ ß.M„„g|;___

IК .Н + Рмнн^кО

117

7. Определяем значение емкости форсирующего конденсатора С, руководствуясь следующими соображениями. Для получения более быстрого переключения желательно выбрать значение емкости конденсатора возможно большим.

Однако увеличение емкости С приводит к увеличению дли­ тельности фронта отрицательного перепада выходного напряже­ ния (см. рис. 10.2). Действительно, после того как транзистор Т] откроется, емкость конденсатора С2 практически полностью до­ бавляется к общей выходной емкости устройства. В результате этого отрицательный перепад выходного напряжения сильно за­ тягивается. Следовательно, величина емкости ограничивает мак­ симальную частоту работы триггера.

Ориентировочно величину емкости форсирующего конденса­

тора можно определить из соотношения С/?б<( —-— . Однако

/макс

необходимо иметь в виду, что чем выше предельная частота транзистора, тем меньше должно быть значение емкости; это сле­

дует из соотношения С ~ (1,5-г-2) — . Для транзисторов

Як

с fi = l-f-2 МГц оптимальной, с точки зрения скорости переклю­ чения, является емкость 300—500 пФ. Практически величину емкости форсирующего конденсатора проще определить экспери­ ментально, добиваясь минимального времени переключения. Обычно задаются величиной емкости 200—1000 пФ.

Не следует выбирать значение емкости очень малым (менее 200 пФ) во избежание явления «самооткрывания» транзистора, которое приводит к неустойчивой работе триггера.

8. Определим величину сопротивления RQ из условия запира­

R i ü ■R J ( Д к 2 + ^ п ) •

угольные импульсы с амплитудой, почти равной величине источ­ ника питания.

Рассмотрим работу мультивибратора более подробно. На рис. 11.2 приведены диаграммы токов, протекающих через тран­ зистор, и напряжений на электродах транзистора. Диаграммы помогут понять принцип действия схемы.

Рассмотрение процессов, происходящих в мультивибраторе, начнем с момента времени t= t0 (см. рис. 11.2).

В этот момент транзистор Г, заперт, а Гг — открыт. Конден­ сатор С2, заряженный в момент переключения до значительного положительного напряжения, прикладываемого к базе, раз­ ряжается через открытый тран­ зистор Г2 и резистор Дб2- Ток разряда конденсатора создает положительное запирающее напряжение на базе транзисто­ ра Т у . К моменту времени t\ конденсатор С2 разрядится до напряжения отпирания транзи­ стора, II транзистор Г, начи­

нает отпираться. Коллекторный ток транзи­

стора Гу увеличится. Это при­ ведет к увеличению потенциала на коллекторе за счет увеличе­ ния падения напряжения на резисторе RK. Изменение по­ тенциала коллектора Т\ пере­ дается на базу транзистора Г2

Рис. 11.2. Временные диаграммы и вызывает уменьшения его

мультивибратора коллекторного тока и сниже­ ние потенциала на коллекторе.

Это уменьшение потенциала, в свою очередь, передается на базу транзистора Ту. Коллекторный ток транзистора Ту еще больше увеличится. Это приведет к еще большему нарастанию потенциа­ ла на его коллекторе и, следовательно, к уменьшению тока базы

тельным напряжением на базе. Величина положительного напря-

150

жения на базе транзистора Т2 может достигать величины £ к, так как напряжение на коллекторе практически изменилось на ве­ личину напряжения источника питания £ к (транзистор Т\ пере­ ходит из закрытого состояния в открытое) и все это изменение передается через емкость на базу транзистора Т2.

После кратковременного этапа формирования фронта импульса (на рис. 11.2 момент ti) наступает сравнительно мед­ ленный процесс формирования плоской части импульса (с мо­ мента 11 до t2) ■

Конденсатор С\ начинает разряжаться по цепи (—Ек), /?бі, С], открытый транзистор Т\, при этом на сопротивлении У?бі под­ держивается падение напряжения, достаточное для запирания транзистора Т2. Конденсатор С2 в это время заряжается по цепи ( Ек), Яи2, С2.

По мере того, как напряжение на конденсаторе С] прибли­ жается к нулю, положительное смещение на базе транзистора Гг уменьшается. Время пребывания схемы в этом состоянии опре­ деляется постоянной времени цепи разряда конденсатора

Тфаэі-> = ^?біСь

Наконец наступает такой момент (t2), когда напряжение на базе станет несколько ниже, чем на эмиттере, и транзистор Т2 начнет открываться. Потенциал на его коллекторе начинает уве­ личиваться, это увеличение передается на базу транзистора Ть коллекторный ток и потенциал транзистора 7, начнут умень­ шаться. Перепад напряжений с коллектора транзистора Ті пере­ дается на базу транзистора Т2, вызывая увеличение коллектор­ ного тока, и т. д. Весь процесс повторится в обратном направле­ нии. Этот процесс также проходит лавинообразно. В конце его транзистор ТI полностью запирается, а транзистор Т2 полностью

лено тем, что резистор RG2 после переключения устройства нахо­ дится под напряжением

Е к + U C = 2 E K .

Напряжение на базе транзистора Т2 в этот момент возрастает почти до 0, а ток базы Iв2 возрастает от значения /к0 до значения

конденсатора С, пренебрежимо мало и резисторы RGI и RKі ока­ зываются включенными параллельно.

Поэтому ток коллектора транзистора Тt в первый момент

равен — 1 и по мере возрастания напряжения на базе

RGI-RKI

151