Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

повторителей довольно велики (порядка 20 кОм), обрат­ ный ток коллектора закрытого эмиттерного повторителя создает падение напряжения на этом сопротивлении и увеличивает напряжение эмиттера, а соответственно, и напряжение заряда емкости связи.

Увеличение напряжения заряда емкостей связи спо­ собствует увеличению времени перезаряда емкостей, а увеличение обратного коллекторного тока основных транзисторов Тх и Т2 — уменьшению времени перезаря­ да емкостей. В определенном температурном диапазоне эти два фактора взаимно конденсируются.

Схема самозапуска восстанавливает работоспособ­ ность мультивибратора при срывах генерации, возмож­ ных на больших уровнях управляющего сигнала.

Мультивибратор, схема которого представлена на рис. 57, б кроме основных транзисторов Тх и Т2 и транзи­ стора схемы самозапуска Т$ содержит транзисторы Т2, Т4, задающие неизменный ток перезаряда емкостей связи.

Благодаря постоянству тока перезаряда напряжение на емкости связи в базовой цепи закрытого транзистора возрастает линейно и вариации величины порога отпира­ ния транзистора приводят к меньшей погрешности перио­ да колебаний мультивибратора. Кроме того, при пере­ заряде емкости связи неизменным током, зависимость периода мультивибратора от напряжения заряда емко­ сти становится линейной.

Базовая цепь токозадающих транзисторов может при­ соединяться либо к цепи входного сигнала, как изобра­ жено на схеме, либо через резистор к точке нулевого по­ тенциала. В первом случае зависимость периода колеба­ ний от напряжения будет нелинейной, однако диапазон изменения частоты будет шире.

§ 9. Бистабильные схемы (триггеры)

Бистабильные схемы являются бесконтактным ана­ логом реле с самоудержанием и осуществляют, при пода­ че кратковременного управляющего сигнала, переклю­ чение цепей в токовое или обесточенное состояние, со­ храняя это состояние в течение произвольно долгого про­ межутка времени.

Бистабильные схемы представляют собой двухкаскад­ ный усилительный элемент с жесткой межкаскадной

152

связью, охваченный жесткой цепью положительной об­

ратной связи.

По виду обратной связи различают бистабильные схемы с параллельной положительной обратной связью и схемы с последовательной положительной обратной связью. Первые схемы можно назвать иначе схемами с перекрестными коллекторно-базовыми связями, вто­ рые — схемами с коллекторно-эмиттерной связью через эмиттерный повторитель.

В литературе бистабильные схемы иногда подразде­ ляют на симметричные и несимметричные. Такая клас­ сификация менее удачна, так как не отражает вида по­ ложительной обратной связи: несимметричная конфигу­ рация схемы возможна как при параллельной, так и при последовательной обратной связи. Более того, симмет­ ричная по конфигурации бистабильная схема может быть несимметричной по электрическому режиму, если номи­ налы компонентов правой и левой половины схемы не одинаковы.

Бистабильные схемы с перекрестными обратными связями и бистабильные схемы с коллекторно-эмиттер­ ной связью через эмиттерный повторитель могут выпол­ няться на транзисторах одинакового типа проводимости

(рис. 58, а, в).

Всхеме с перекрестными коллекторно-базовыми свя­ зями на транзисторах одинакового типа проводимости (рис. 58, а) один из транзисторов открыт, а другой на­ дежно заперт; переключение схемы заключается в пере­ распределении токового и обесточенного состояний транзисторов, при котором ранее закрытый транзистор становится открытым, а ранее открытый, наоборот, запертым.

Всхеме с перекрестными коллекторно-базовыми свя­ зями на транзисторах различного типа проводимости (рис. 58, б) в зависимости от состояния схемы оба тран­ зистора открыты или заперты и переключение проявля­ ется в переходе обоих транзисторов из токового состоя­ ния в обесточенное или, наоборот, из обесточенного в то­ ковое.

Всхемах с перекрестными коллекторно-базовыми свя­ зями оба транзистора идентичны, равноценны по выпол­ няемым ими функциям, а также по возможности их на­ гружения. В схемах с коллекторно-эмиттерной связью

153

Рис. 58. Бистабильные схемы:

а — бистабильная схема с коллекторно-базовыми связями на транзисто­ рах одинакового тина проводимости; 6 — схема с коллекторно-базовыми связями на транзисторах различного типа проводимости; в — схема с эмиттерной связью на транзисторах одинакового типа проводимости; а — схема с эмиттерной связью на транзисторах различного типа проводимости

через эмйттерный повторитель (рис. 58, в, г) транзисто­ ры выполняют существенно различные функции.

Транзистор, включенный по схеме с общим эмитте­ ром, является основным. Он воспринимает управляющий сигнал, усиливает его по напряжению и по току и выда­ ет в цепь нагрузки. Второй транзистор, включенный по схеме с общим коллектором, выполняет вспомогательную функцию — передает сигнал из коллекторной цепи в эмиттерную, обеспечивая при этом достаточный коэффи­ циент передачи по току.

154

Бистабильные схемы с коллекторно-базовыми связими на транзисторах одинакового типа проводимости цслесообразно применять в тех случаях, когда необхо­ димо получить выходной сигнал, одновременно в двух видах, в прямом и инверсном. Недостатком этой схе­ мы является одинаковое потребление энергии в обоих

состояниях.

Схема с коллекторно-базовыми связями на транзи­ сторах различного типа проводимости (рис. 58, г) не да­ ет на выходе инверсного сигнала, однако потребляет энергию только во включенном состоянии (в выключен­ ном состоянии энергия, потребляемая из цепи коллектор­ ного питания за счет протекания обратного тока транзи­

сторов, весьма мала).

Бистабильная схема с коллекторно-эмиттерной об­ ратной связью через эмиттерный повторитель на транзи­ сторах одинакового типа проводимости не дает очевид­ ных преимуществ по сравнению с другими видами биста­ бильных схем, однако схема на транзисторах различного типа проводимости в многотранзисторном исполнении имеет весьма высокую стабильность устойчивых состоя­ ний.

Схемы, показанные на рис. 58, рассчитывают таким образом, чтобы открытые транзисторы работали в режи­ ме насыщения. Расчет насыщенных бистабильных схем предусматривает определение таких значений сопротив­ лений резистивных компонентов транзисторных клю­ чей схемы, при котором транзисторы в открытом состоянии насыщены, а в закрытом надежно заперты даже при наихудшем состоянии дестабилизирующих факторов, стремящихся нарушить заданное состояние схемы.

Для улучшения процесса переключения резисторы связи целесообразно шунтировать форсирующими кон­ денсаторами, максимальная емкость которых определя­ ется по условию полного разряда в течение времени за­

Поскольку при периодическом переключении биста­ бильной схемы с частотой f время нахождения транзи­ сторов схемы в закрытом состоянии равно половине

155

В х о д н о й с и г н а л

И м п ул ьсы В базовых, цепях

д

Рис. 59. Виды запуска бистабильных схем:

а — раздельный запуск запирающими импульсами в базовые цепи; б — раздельный запуск отпирающими импульсами в коллекторные цепи; в — общий (счетный) запуск запирающими импульсами в базовые цепи; г — временная диаграмма сигналов при счетном запуске

периода переключения, то максимальную величину ем­ кости связи можно определить как

Управление бистабильными схемами осуществляется однополярными, запирающими или отпирающими, им­ пульсами. При управлении запирающими импульсами (рис. 59, а) управляющие цепи, как правило, присоеди­ няют к базовым точкам схемы. При управлении импуль­ сами отпирающей полярности (рис. 59, б), наоборот, как правило, управляющие цепи присоединяют к коллектор­ ным точкам схемы. Если считать открытое состояние пра­ вого транзистора бистабильной схемы соответствующим ее «единичному» состоянию, а закрытое состояние пра­ вого транзистора соответствующим «нулевому», то есть выключенному состоянию, то управляющую цепь, осу­ ществляющую включение правого транзистора, можно назвать цепью установки 1, входом 1 или цепью включе­ ния. Соответственно, цепь, осуществляющую выключе­ ние правого транзистора, можно назвать цепью установ­ ки 0, входом 0 или цепью выключения (рис. 59).

В схеме с базовым управлением запирающими им­ пульсами (рис. 59, а) сопротивления резисторов R i и R2 входных делителей выбираются такой величины, чтобы

157

при отсутствии входных сигналов Д И О Д Ы Д\ и Д 2 были заперты. Для этого необходимо, чтобы на резисторах R2 развивалось падение напряжения 0,3—0,5 В.

До прихода управляющего импульса в схеме с запу­ ском отпирающими импульсами конденсатор связи раз­ ряжается до некоторого остаточного напряжения, а в схеме с запуском запирающими импульсами заряжается до некоторого начального напряжения. Далее, в момент прихода управляющего импульса, в схеме с запуском отпирающими импульсами происходит заряд конденса­ тора пусковой цепи, а в схеме с запуском запирающими импульсами — разряд конденсатора.

Полагая коэффициент заполнения пусковых импуль­ сов равным 0,5 и максимальную частоту равной f, можно определить величину конденсатора пусковой цепи, зада­ ваясь условием полного заряда конденсатора для схемы

и условием полного заряда для схемы с запуском отпи­ рающими импульсами:

Если в бистабильной схеме, имеющей в цепях связи форсирующие емкости, соединить вместе входные зажи­ мы пусковых цепей 1 и 0, то есть сделать так называемый общий вход, то бистабильная схема приобретает новое свойство — способность двоичного пересчета импульсов

(рис. 59, в).

При поступлении на общий вход схемы импульса би­ стабильная схема кратковременно теряет устойчивое со­ стояние и затем под действием токов переходного про­ цесса, происходящего в цепях связи, содержащих форси­ рующие емкости, переключается в новое состояние, про­ тивоположное тому состоянию, которое имелось до при­ хода пускового импульса. После прихода следующего им­ пульса схема вновь меняет свое состояние на противопо­ ложное и так далее (рис. 59, г). Если бистабильная схе­ ма имела в исходном положении «единичное» состояние,

158

то это состояние будет периодически повторяться после каждого четного, то есть кратного двум, импульса.

Бистабильная схема с общим, то есть счетным, вхо­ дом весьма критична к энергии (длительности и ампли­ туде) импульсов, поступающих в базовые цепи транзи­ сторов. При малой энергии импульсов может не про­ изойти надежного запирания ранее открытого транзисто­ ра и схема не переключится. При чрезмерно большой энергии импульсов происходит выравнивание энергии форсирующих емкостей и по окончании действия им­ пульсов схема может не переключиться в противополож­ ное положение.

Для улучшения качества работы бистабильной схемы

всчетном режиме применяют управляемые цепи запуска,

вкоторых пусковой импульс запирающей полярности по­ ступает только в базу открытого транзистора. В простей­ шем, диодно-емкостном, варианте управляемого запуска управление пусковым импульсом обеспечивается путем селективного заряда пусковых емкостей напряжением коллекторных цепей транзисторов бистабильной схемы

(рис. 60). В этих схемах в течение паузы входного сигна­ ла заряжается только та пусковая емкость, которая со­ единена с базовой цепью открытого транзистора. Зажи­ мы емкости, соединенной с базовой цепью закрытого транзистора благодаря действию коммутирующего на­ пряжения коллекторной цепи бистабильной схемы, ока­ зываются в эквипотенциальном состоянии, и заряда ем­ кости поэтому не происходит.

Весьма пагубным дестабилизирующим фактором, влияющим на работу бистабильных схем, является

Рис. 60. Диодные схемы управляемого счетного запуска:

а — с зарядом емкостей со стороны пусковых цепей; 6 — с зарядом ем­ костей со стороны баз

159

обратный коллекторный ток транзисторов. Поэтому, если схема предназначена для работы в широком диапазоне температур, желательно использовать более действен­ ные приемы подавления обратного коллекторного тока, чем отбор этого тока цепью запирающего смещения.

В этом отношении весьма перспективна бистабиль­ ная схема, приведенная на рис. 61. Эта схема является результатом улучшения двухтранзисторной бистабиль­ ной схемы с положительной коллекторно-эмиттерной об­ ратной связью через эмиттерный повторитель на транзи­ сторах различного типа проводимости [1].

В отличие от двухтранзисторного прототипа эта схе­ ма содержит вместо коллекторного резистора управляе­ мое сопротивление — эмиттерный повторитель Г6 с управляющим транзистором Т\, вместо резистора цепи обратной связи — управляемое сопротивление (усили­ тельный транзистор Т$ с эмиттерным управляющим транзистором Тц), вместо обычного эмиттерноге повто­ рителя — двухкаскадный эмиттерный повторитель (транзисторы Т3, Т3). Схема состоит из двух половин, одинаковых по конфигурации, но различных по типу про­ водимости транзисторов.

Такая симметрия схемы, в отличие от симметрии с одинаковым типом проводимости транзисторов, называ­ ется в литературе дополнительной симметрией. Биста­ бильность этой схемы проявляется в том, что в проводя­ щем состоянии всегда находится только одна половина схемы, либо транзисторы Ти Т3, Т5, Т7, либо транзисторы

Т%, 7’4, Т6, Т3■

Допустим, в исходном состоянии открыта левая поло­ вина схемы (транзисторы Т\, Т3, Т3, Т7). Поскольку тран­ зисторы работают в режиме насыщения, то напряжение коллекторной точки транзистора Т7, равное сумме паде­ ний напряжений на транзисторах Т7, Т 3, Т5, не будет пре­ вышать 0,3 В. Поэтому базовые переходы транзисторов Т2 и Т 8 цепи .положительной обратной связи смещаются в запирающем направлении напряжением, приближенно равным напряжению коллекторного питания.

Обратные коллекторные токи транзисторов Г2 и Т3, а также транзисторов Т8 и Т3 взаимно компенсируются. Поэтому на коллекторных сопротивлениях R Ki и Rk2 не возникает существенно большого падения напряжения, способного вывести схему из устойчивого состояния. При

160