No Image

Триггер на полевых транзисторах

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
10 марта 2020

Триггер — это устройство с двумя устойчивыми состояниями, которое может скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием входного сигнала при достижении им определенного порога. Переброс триггера осуществляется за счет положительной обратной связи. Выходное напряжение имеет вид скачков напряжения, крутизна фронтов которых определяется быстродействием триггера.

Наибольшее распространение получили триггеры на транзисторных ключах с перекрестными обратными связями. Если оба ключа идентичны, то триггер называется симметричным, в противном случае — несимметричным.

На рис. 4.24 показан триггер на биполярных транзисторных ключах с внешним источником напряжения смещения Есм. Ключи выполнены по схеме ОЭ. Связь между ключами осуществляется с помощью резисторов Rб, включенных между базой одного транзистора и коллектором другого. Поэтому такой триггер часто называют триггером с коллекторно-базовыми связями. Триггер имеет два устойчивых состояния; транзистор T1-насыщен, T2-заперт и наоборот: T1-заперт, а T2-насыщен.

Предположим, в исходном состоянии транзистор T1 насыщен, а T2 заперт. Для обеспечения надежного запирания транзистора положительное смещение должно удовлетворять условию:

Тем самым компенсируется обратный ток коллекторно-базового перехода и ток, вызванный отрицательным остаточным напряжением коллектора Uк.наc транзистора T1.

Для надежного насыщения открытого транзистора необходимо выполнить условие:

Здесь S — коэффициент запаса по насыщению (S = 1,5–2,0).

Так как триггер симметричен, то условие запирания и открывания транзисторов в другом устойчивом состоянии аналогичны.

При поступлении на базу открытого транзистора T1 входного сигнала положительной полярности достаточной амплитуды начинается переброс триггера в противоположное состояние. Закрываясь под действием управляющего сигнала, транзистор T1 увеличивает отрицательное напряжение на своем коллекторе, которое через резистор Rб поступает на базу транзистора T2, вызывая его открывание. В свою очередь, открываясь, транзистор T2 снижает отрицательное коллекторное напряжение и тем самым способствует закрыванию транзистора T1 уже и под действием положительного смещения Есм. Процесс переброса происходит лавинообразно.

Аналогично процесс наблюдался бы при подаче отрицательного открывающего импульса на базу закрытого транзистора T2. Таким образом, можно управлять триггером раздельно по базам открывая закрытый транзистор или закрывая открытый, а можно по одной базе, но разнополярным управляющим сигналом, закрывая и открывая один транзистор.

Для ускорения процесса переключения триггера базовые резисторы шунтируют ускоряющими конденсаторами. Оптимальная емкость этих конденсаторов выбирается в зависимости от величины коллекторного резистора и предельной частоты усиления транзистора:

.

Максимально возможная частота переключения триггера близка к предельной частоте wa транзистора.

Для ускорения переброса триггера (а это необходимо в быстродействующих пересчетных схемах) кроме ускоряющих емкостей используют нелинейные обратные связи, устраняющие сильное насыщение транзисторов.

Кроме режима управления по раздельным входам, когда триггером управляют однополярные импульсы, подаваемые поочередно на обе базы или разнополярные импульсы, подаваемые — на одну базу, существует режим управления с общим входом (счетный режим). В последнем случае запускающие импульсы одной полярности подаются одновременно на обе базы (или оба коллектора). Вариант реализации триггера со счетным входом показан на рис.4.35. Здесь входные импульсы подаются на базы транзисторов через диодно-конденсаторные вентили C1R1D1 и C2R2D2. Резистор вентиля подключен к коллектору своего транзистора. В исходном состоянии триггера напряжение коллектора закрытого транзистора запирает вентиль, подключенный к базе этого транзистора и наоборот, вентиль открытого в исходном состоянии транзистора тоже открыт. При поступлении на входы обоих вентилей входного счетного импульса положительной полярности (или положительный фронт входного импульса в случае дифференцирующей емкости вентиля) поступит только на базу открытого транзистора, закрывая его и вызывая переброс триггера. Для надежного срабатывания триггера длительность входных импульсов (или импульсов после их дифференцирования) должна быть меньше времени переворота триггера. Вентили играют роль коммутирующих ключей, исключающих одновременное воздействие на оба транзистора. Таким образом, триггер будет перебрасываться при поступлении очередного входного импульса на счетный вход.

Триггеры со счетным входом являются основой счетчиков импульсов, так как позволяют осуществить последовательное соединение триггеров. Наличие счетного входа не исключает возможности управления триггером по раздельным входам.

Принципиально можно построить триггеры не только на транзисторах, но и на других нелинейных элементах: динисторах, тринисторах и т.д., но широкого применения такие триггеры не получили.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Широкое применение в импульсной технике получил триггер на транзисторах. Чаще всего он используется в качестве счётчика и элемента памяти. Кроме того, в различных приборах логическое устройство заменило собой электромеханическое реле. На основе эпитаксиальных транзисторных триггеров создаются микросхемы, без которых невозможна работа любого современного цифрового прибора.

Устройство триггера

Триггер по своей схемотехнике очень похож на простейшее электронное устройство — мультивибратор. Но в отличие от него, он имеет два устойчивых положения. Эти состояния обеспечиваются изменениями входного сигнала при достижении им определённого значения. Переход из одного положения в другое называют перебросом. В результате на выходе логического элемента возникает скачок напряжения, форма которого зависит от скорости процессов, проходящих в радиоприборах.

Читайте также:  Креативные обои в комнату

Наибольшее применение получил триггер, работающий на транзисторах. Связанно это со способностью последних работать в ключевом режиме. Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, имеющий три вывода. Эти электроды называются:

В грубом приближении транзистор представляет собой два диода, объединённых электрической связью. Состоит он из двух p-n переходов. Название биполярный элемент получил из-за того, что одновременно в нём используются два типа носителей заряда. В триггерных схемах транзистор работает в режиме ключа, суть которого заключается в управлении силой тока коллектора путём изменения значения на базе. При этом коллекторный ток по своей величине превышает базовый.

При таком включении важны лишь токи, а напряжения особой роли не играют. Поэтому при возникновении определённого тока на базе транзистор открывается и пропускает через себя сигнал. Сигнал на коллекторе полупроводникового прибора будет обратным по входному знаку, то есть инвертированным. А значит, когда на базовом выходе будет присутствовать разность потенциалов, на коллекторном она будет равна нулю, и наоборот.

Эта способность транзисторов и используется в триггерах, схема которых построена на двух ключах с перекрёстными обратными связями. Когда используются транзисторные ключи с одинаковой обвязкой, то триггер считается симметричным, в другом же случае — несимметричным.

Принцип работы

Устойчивые состояния выхода триггера обеспечиваются двумя транзисторными ключами, охваченными положительной обратной связью (ПОС). Такие положения соответствуют состоянию, когда один из транзисторов открыт и находится в режиме насыщения, а второй ключ закрыт. При этом на коллекторе закрытого элемента присутствует разность потенциалов, равная его значению на входе — логическая единица, а на выводе открытого ключа напряжение отсутствует — логический ноль.

Биполярные компоненты при таком включении относительно друг друга всегда будут находиться в противоположном состоянии из-за обратной связи. Через неё один из транзисторов (закрытый) с высоким уровнем напряжения на своём коллекторном выводе обязательно будет поддерживать другой в открытом состоянии.

Если предположить, что после подачи питания на устройство оба транзистора VT1 и VT2 окажутся открытыми, то через время из-за отличия характеристик радиоэлементов, стоящих в их плечах, возникнет перекос в коллекторных токах. А это благодаря ПОС приведёт к закрытию одного из ключей. То есть обратная связь спровоцирует лавинообразный процесс перехода одного транзистора в режим насыщения, а другого в режим отсечки.

Делители, собранные на резисторах R1, R4 и R2, R3, подбираются так, чтобы их коэффициент передачи был меньше единицы. Причём для поддержания уровня сигнала они шунтируются ёмкостью, ускоряющей скорость прохождения лавинообразных процессов и повышающей надёжность состояния.

Таким образом, принцип работы триггера заключается в прохождении следующих процессов. Если на схему подаётся напряжение Ek и Eb, то биполярный ключ VT1 начинает работать в режиме насыщения, а VT2 — отсечки. Импульс, пришедший на базу VT1, приводит к уменьшению величины тока, протекающего через коллектор и увеличению напряжения на переходе коллектор-эмиттер U1ke. Напряжение через С1 и R4 прикладывается к базе VT2. Это приводит к увеличению коллекторного тока на втором ключе и уменьшению напряжения на переходе U2ke, передаваемого через C2 и R3 на базу VT1.

Итогом этих процессов станет запирание VT1 и отпирание VT2. Такое состояние останется неизменным, пока на базу VT2 не придёт отрицательный уровень сигнала. Результатом этого будут обратные электрические процессы, и VT1 закроется, а VT2 откроется.

Характеристики приборов

Триггер условно можно назвать «автоматом», способным хранить один бит информации. Простейшего вида прибор имеет два выхода, находящихся по отношению друг к другу в инверсном состоянии. Важные параметры устройства связаны с синхронизацией (тактированием) выходов, зависящей от времени предустановки и выдержки. Первый параметр характеризуется интервалом времени, в течение которого поступает разрешающий фронт синхросигнала, а второй определяется временем нахождения устойчивого состояния в неизменном положении. Ряд других характеристик триггера связывают с сигналом, проходящим через него. К ним относится:

  • нагрузочная способность — характеризуется коэффициентом разветвления (Кр) и обозначает способность прибора управлять определённым количеством параллельно подключённых элементов к выходу устройства;
  • Ко — коэффициент объединения, обозначает наибольшее число входных напряжений, которые возможно завести на вход прибора;
  • tи — минимальная продолжительность входного сигнала, то есть длительность импульса, при котором триггер ещё может перейти в инверсное состояние;
  • tзд — коэффициент задержки, указывает на временной промежуток между подачей входного сигнала и появлением напряжения на выходе;
  • tр — длительность разрешения, определяется минимальным временем прошедшим между двумя импульсами сигнала на входе и спровоцировавшего переход триггера в другое состояние.

Но наряду с этим выделяют и следующие технические параметры триггеров:

  • напряжение на входе — наибольшая величина разности потенциалов, которую может выдержать устройство без повреждения своей внутренней электрической схемы;
  • ток потребления — зависит от используемых элементов, обычно не превышает 2 мА;
  • разность потенциалов переключения — это минимальное значение, при котором происходит инвертирование выхода;
  • ток входа — обозначает минимальное значение необходимое для работы триггера;
  • ток выхода — значение тока, появляющееся на выходе и определяемое отдельно для логического нуля и единицы;
  • температурный диапазон — интервал, в котором технические параметры устройства не изменяются;
  • напряжение гистерезиса — разность амплитуд входного сигнала, приводящая к изменению состояния выхода устройства.
Читайте также:  Мультиварка redmond отзывы цена

Виды и классификация

Для работы устройства на вход необходимо подать внешний сигнал, называемый установочным. Форма напряжения, приводящая к появлению логической единицы на выходе триггера, обозначается латинской буквой S (установка), а появлению ноля — R (сброс). Состояние устройства определяется по прямому входу. Для элемента ИЛИ-НЕ активным уровнем считается единица, а И-НЕ — ноль. Одновременная подача R и S приведёт к неопределённому неустойчивому состоянию.

Такой принцип используется для построения элемента памяти. Поэтому все триггеры классифицируются по способу записи информации на асинхронные и синхронные. Первые разделяются по способу управления, а вторые по виду переключения и могут быть одно- или двухступенчатыми. Устройства, зависящие от уровня сигнала, называются триггерами статического управления, а от фронта — динамического.

По типу работы логики триггеры могут быть:

  • RS — состоящими из двух входов;
  • D — имеющих один информационный вход и схему задержки;
  • T — инвертирующих сигнал каждый раз при подаче импульса напряжения на вход;
  • JK — универсальными, допускающими одновременную подачу на свои выводы R и S сигналов;
  • комбинированными — совмещающими несколько устройств, например, RST-триггер.

Наиболее распространёнными видами триггеров являются D и RS схемы. При этом триггерные устройства разделяются также по числу устойчивых состояний (двоичные, троичные, четверичные и т. д.) и составу логических элементов.

Триггер RS типа

Одной из простейших в цифровой электронике является схема RS-триггера на транзисторах. Внешним воздействием на вход прибора можно установить его выход в нужное устойчивое состояние. Схема устройства представляет собой каскады, выполненные на транзисторах. Вход каждого из них подключается к выходу противоположного. Два состояния определяются присутствием на выходе напряжения, а переход между ними происходит с помощью управляющих сигналов.

Работает схема следующим образом. Если в начальный момент времени VT2 будет закрыт, тогда через сопротивление R3 и коллектор будет течь ток, поддерживающий VT1 в режиме насыщения. Одновременно первый транзистор начнёт шунтировать базу VT2 и резистор R4. Режим отсечки VT2 соответствует значению логической единицы на выходе Q = 1, открытое состояние VT1 нулю, Q = 0. Амплитуда сигнала на коллекторе закрытого ключа определяется выражением: Uз = U * R3 / (R2+R3).

Для инверсии сигнала необходимо на вход R или S подать импульс. При этом если S = 1, то и Q = 1, а если R=1, то на выходе будет ноль. При значениях R1 = R2 и R3 = R4 триггер называется симметричным. Особенностью работы устройства является способность удерживать установленное состояние между импульсами R и S, что и используется для создания на нём элементов памяти.

На схемах RS-триггер обозначается в виде прямоугольника с подписанными входами S и R, а также возможными состояниями выхода. Прямой подписывается символом Q, а инверсный – Q. Информация может поступать на входы непрерывным потоком или только при появлении синхроимпульса. В первом случае устройство называют асинхронным, а во втором – синхронным (трактируемым).

Работа устройства наглядно описывается с помощью таблицы истинности.

Она наглядно показывает всевозможные комбинации, которые могут возникнуть на выходе прибора. Такая таблица составляется отдельно для триггера с прямыми входами и инверсными. В первом случае действующий сигнал равен единице, а во втором — нулю.

Схема D-trigger

Управление логическими элементами в приборе такого типа осуществляется с помощью входов, которые разделяются на информационные и вспомогательные. Первый фиксирует приходящий импульс и в зависимости от формы переводит триггер в устойчивое то или иное состояние. Вспомогательный вход предназначен для синхронной работы.

Английская буква D в названии обозначает, что устройство является триггером задержки (delay). Эта задержка выражается в том, что приходящий импульс подаётся на вход не сразу, а через один такт. Определяет её частота импульсов синхронизации.

На схемах D-триггер на транзисторах обозначается также в виде прямоугольника, но входы триггера подписываются как D и C. Состояние устройства определяется по форме импульса, в частности срезу, приходящему на вход C, и импульсом синхронизации, поступающим на D. Но если на C будут приходить синхроимпульсы, а сигнал на входе D не будет изменяться, то выход останется без изменений.

Таблица истинности для логического элемента выглядит следующим образом:

Использование RS и D триггеров достаточно распространено из-за простоты, универсальности и удобства построения на них логических схем. Эти элементы являются важными составляющими для создания цифровых микросхем, используются в качестве регистров сдвига и хранения.

Сегодня для закрепления материала про полевики рассмотрим схемы на полевых транзисторах и обсудим принцип их работы. Предыдущие статьи про ПТ вот тут – раз и два.

Читайте также:  Вьющийся цветок с резными листьями

Схема истокового повторителя.

Биполярным аналогом этого устройства является эмиттерный повторитель (о нем шла речь тут). Вот как выглядит простейший повторитель на ПТ:

Ну давайте разбираться что же и как этот повторитель повторяет 😉 Напряжение на выходе:

Ток стока мы можем определить через напряжение затвор-исток следующим образом:

Подставляем в формулу для и получаем вот что:

И если сопротивление нагрузки намного превышает величину , то мы получаем довольно-таки хороший повторитель ().

Но у этой схемы есть парочка существенных недостатков. Во-первых, характеристики ПТ трудно поддаются контролю при изготовлении, поэтому такой истоковый повторитель может иметь непредсказуемое смещение по постоянному току. А во-вторых, такой повторитель имеет довольно-таки большое выходное сопротивление, соответственно, амплитуда выходного сигнала все-таки будет меньше, чем амплитуда сигнала на входе.

Более качественный повторитель получается при использовании согласованных пар ПТ. Такая схема выглядит следующим образом:

Рассмотрим работу данной схемы. Полевик Q2 задает определенный ток. Этот ток соответствует напряжению затвор-исток, равному нулю. Транзисторы включены последовательно, значит через Q1 течет такой же ток, а так как полевики абсолютно одинаковые, то и для Q1 напряжение затвор-исток равно нулю. В то же время:

Вот и получаем, что , то есть напряжение на выходе повторяет сигнал на входе.

Эту схему истокового повторителя можно еще модернизировать, добавив резисторы в цепь истока. С помощью подбора их значений можно установить разные значения тока стока:

На этом заканчиваем с истоковыми повторителями и переходим к некоторым другим схемам на полевых транзисторах )

Схема ключа на полевом транзисторе.

Здесь мы видим n-канальный МОП-транзистор. При заземленном затворе полевик находится в закрытом состоянии и, соответственно, входной сигнал не проходит на выход. Если подать на затвор напряжение, например, +10 В, то ПТ перейдет в открытое состояние и сигнал практически беспрепятственно пройдет на выход.

Тут особо и объяснять нечего )

Теперь перейдем к логическим элементам (вентилям) на МОП-транзисторах. И начнем с вариантов исполнения логического инвертора. Посмотрите на схемку:

Что вообще должен делать инвертор? Очевидно, что инвертировать сигнал ) То есть подаем на вход сигнал низкого уровня, на выходе получаем высокий уровень и наоборот. Давайте смотреть как это все работает. Если на входе низкий уровень сигнала, то n-канальный МОП-транзистор закрыт, ток через резистор нагрузки не течет, соответственно, все напряжение Vcc оказывается на выходе. А если на входе высокий уровень, то ПТ во включенном состоянии проводит ток, при этом на нагрузке появляется напряжение, а потенциал стока (выходной сигнал) практически равен нулю (низкий уровень). Вот так вот это схема и работает )

Рассмотрим еще один вариант инвертора, но уже с использованием p-канального ПТ:

Работает эта схема аналогично схеме инвертора на n-канальном транзисторе, поэтому останавливаться на этом не будем.

Есть один большой минус у обеих этих схем – это высокое выходное сопротивление. Можно, конечно, уменьшать , но при это рассеиваемая мощность будет увеличиваться (она обратно пропорциональна квадрату сопротивления). Как вы понимаете, в этом нет ничего хорошего. Отличной альтернативой этим схемам инверторов является схема на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП). Она имеет следующий вид:

Итак, пусть у нас на входе сигнал высокого уровня. Тогда p-канальный МОП-транзистор Q2 будет выключен, а Q1, напротив, будет во включенном состоянии. При этом на выходе будет сигнал низкого уровня. А что если на входе низкий уровень? А тогда наоборот Q1 будет выключен, а Q2 включен, и на выходе окажется сигнал высокого уровня. Вот и все )

Пожалуй, рассмотрим теперь еще одну схемку на полевиках – схему логического вентиля И-НЕ. Этот вентиль имеет два входа и один выход, и и низкий уровень должен быть на выходе только в том случае, когда на оба входа подан сигнал высокого уровня. Во всех остальных случаях на выходе сигнал высокого уровня.

Смотрите, как это работает. Если на Входе 1 и Входе 2 высокий уровень, то оба n-канальных транзистора Q1 и Q2 проводят ток, а p-канальные Q3 и Q4 закрыты, и на выходе окажется сигнал низкого уровня. Если на одном из входов сигнал низкого уровня, то один из транзисторов Q3, Q4 открыт, а, соответственно, один из транзисторов Q2, Q1 закрыт. Тогда цепь Q1-Q2-земля разомкнута, а на выход через открытый транзистор Q3 или Q4 попадает напряжение высокого уровня. Вот и получается, что низкий уровень на выходе возможен только если на обоих входах сигнал высокого уровня.

Заканчиваем на этом разговор о полевых транзисторах, мы сегодня рассмотрели схемы на полевых транзисторах и кроме того разобрались как они работают ) Так что до скорых встреч на нашем сайте!

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector