§ 8.5. НЕСИММЕТРИЧНЫЕ ТРИГГЕРЫ

Несимметричные триггеры часто называют триггерами Шмитта. По своим свойствам они существенно отличаются от симметричных триггеров, так как у них нет памяти о предыдущем состоянии. Несимметричный триггер — это регенеративное устройство, имеющее гистерезисную передаточную характеристику, у которой выходной сигнал может принимать два значения. Переход от одного уровня выходного напряжения к другому происходит скачкообразно при определенном значении входного сигнала — напряжении срабатывания. Возвращение в исходное состояние происходит при другом уровне входного сигнала — напряжении отпускания. По модулю оно всегда меньше напряжения срабатывания на величину , характеризующую ширину петли гистерезиса.

Подобные регенеративные устройства обычно используются для формирования резких перепадов напряжения из сравнительно медленно меняющихся входных сигналов.

Рассмотрим работу триггера Шмитта (рис. 8.28, а). Пусть транзистор открыт и насыщен, а транзистор закрыт. В режиме насыщения падение напряжения на транзисторе близко к нулю. Это позволяет показать его в виде точки («стянуть» в точку) на эквивалентной схеме рис. 8.28, б. Такой прием широко применяется при анализе устройств с насыщенными ключами.

Рис. 8.28. Схема триггера Шмита (в), его эквивалентная схема (б), передаточная (в) и входная (г) характеристики

Через транзистор (рис. 8.28, б) протекает ток, создающий на резисторе падение напряжения. Параметры резисторов выбраны так, что напряжение транзистора меньше порогового и он находится в области глубокой или неглубокой отсечки. Для определенности будем считать, что падение напряжения на резисторе таково, что транзистор находится в области глубокой отсечки и ток его базы равен (рис. 8.28, б).

При подаче входного напряжения транзистор откроется в тот момент, когда напряжение транзистора станет равным пороговому. Отпирание транзистора приводит к увеличению тока через резистор и повышению падения напряжения на нем. Соответственно потенциалы коллектора транзистора и базы транзистора понижаются. Это приводит к уменьшению тока базы транзистора и выходу его из состояния насыщения в активную область. Возникает регенерация. Уменьшение тока транзистора приводит к снижению падения напряжения на резисторе . При этом повышается напряжение и уменьшаются потенциал его коллектора, токи базы и коллектора транзистора и дополнительно снижается падение напряжения на резисторе .

Последнее приводит к дальнейшему увеличению тока базы транзистора и снижению потенциала его коллектора. Процесс идет лавинообразно. В результате его транзистор попадает в область отсечки, а транзистор насыщается или находится на границе области насыщения. Напряжение, при котором происходит переброс триггера, называется напряжением срабатывания (рис. 8.28, в). Дальнейшее увеличение входного напряжения увеличивает только глубину насыщения транзистора , так как ток уменьшается из-за увеличения тока и соответствующего увеличения падения напряжения на сопротивлении .

Если теперь уменьшать входное напряжение, то обратное опрокидывание триггера происходит не в точке , а при несколько меньшем напряжении . Напряжение, при котором происходит возврат триггера в исходное состояние, называется напряжением отпускания .

Параметры элементов схемы выбирают так, чтобы ток транзистора , находящегося в режиме насыщения нас был больше тока насыщения транзистора .

Соответственно падение напряжения на резисторе при насыщенном транзисторе больше, чем при открытом транзисторе . Этим и обусловлено то, что модуль напряжения всегда меньше . Действительно, при напряжении из-за меньшего падения напряжения на резисторе напряжение транзистора таково, что он находится в области насыщения.

Потенциал базы транзистора составляет часть потенциала коллектора транзистора . Следовательно, транзистор находится в области глубокой отсечки. Он может открыться только после того, как транзистор выйдет из насыщения и коллекторный ток , достаточно уменьшится. Только тогда потенциал , пониженный делителем , станет равным пороговому напряжению, что требуется для отпирания транзистора .

В соответствии со сказанным передаточная пусковая характеристика триггера Шмита имеет вид, показанный на рис. 8.28, в. Она соответствует режиму идеального источника напряжения на входе триггера .

При реальном источнике входного сигнала напряжения отпирания и закрывания оказываются больше соответствующих величин , а при достаточно большом сопротивлении источника триггер вообще может перестать переключаться. Это обусловлено тем, что высокоомный источник приближается к генератору тока. Тогда ток во входной цепи мало зависит от падения напряжения на резисторе .

Следовательно, регенерация будет отсутствовать и триггер потеряет свои основные свойства.

Для оценки предельного значения внутреннего сопротивления источника входного сигнала используют входную характеристику триггера (рис. 8.28, г). Ее снимают, задавая значение входного тока от генератора с высоким выходным сопротивлением.

Характеристика имеет пять ярко выраженных участков.

На участке входной ток . Это соответствует закрытому состоянию транзистора . При напряжении транзистор отпирается. Рабочая точка переходит на участок II, на котором его эмиттерный переход смещен в прямом направлении тока. Потенциал база — эмиттер транзистора с повышением , увеличивается по модулю. На участке II транзистор открыт и насыщен. Часть тока, протекающего через резистор , ответвляется в его базу. При токе и напряжении транзистор выходит из насыщения. На участке III оба транзистора работают в активном режиме и действует положительная ОС. Уменьшение тока транзистора вызывает увеличение тока транзистора и уменьшение падения напряжения на резисторе . В точке транзистор запирается, а транзистор продолжает работать в активном режиме. На участке IV увеличение тока сопровождается пропорциональным увеличением тока эмиттера и напряжения . При токе и напряжении транзистор входит в насыщение. Дальнейший рост на участке V обусловлен увеличением падения напряжения на входном сопротивлении триггера, создаваемого током .

Во входной характеристике легко оценить роль сопротивления источника сигнала и получить критерий триггерного режима. Если , то линиями нагрузки являются вертикальные прямые. В этом случае в точках имеют место скачки тока базы . В общем случае при напряжения отпускания и срабатывания зависят от сопротивления источника сигнала:

С ростом сопротивления рабочая точка, характеризующая состояние после срабатывания, перемещается с участка V на участок IV. Рабочая точка, характеризующая схему сразу после отпускания, с участка I перемещается на участок II. При этом напряжения срабатывания и отпускания сближаются и при определенном значении сопротивления источника сливаются. При этом цепь перестает работать как триггер, а превращается в регенеративный усилитель, имеющий большое усиление за счет положительной ОС с петлевым усилением .

Рис. 8.29. Микросхема 564TЛ1 (а); триггер Шмитта на ОУ (б) и его передаточная характеристика (в); триггеры Шмитта с улучшенными характеристиками (г) и работающие защелкой (д)

Таким образом, различие в уровнях срабатывания и отпускания является необходимым условием работы цепи в триггерном режиме.

Следует обратить внимание на некоторую возможную нестабильность уровней срабатывания и отпускания. Их разброс и дрейф обусловлены разбросом параметров и старением элементов цепи, а также влиянием внешних условий, особенно температуры. Эти возможные нестабильности уровней необходимо учитывать при использовании триггеров Шмитта на транзисторах в качестве различных сравнивающих устройств.

Триггеры Шмитта выпускаются в виде самостоятельных микросхем в составе отдельных серий, например типа K155TЛ1, K155TЛ2, K155TЛ3, 564TЛ1 и др. В их входную цепь часто включен логический элемент И, расширяющий функциональные возможности интегральной схемы. Так, в микросхеме 564TЛ1 (рис. 8.29, а) в одном корпусе выполнены четыре триггера Шмита. На входе триггеров установлен двухвходовой элемент И, а на каждом выходе — инвертор сигнала, уменьшающий влияние сопротивления нагрузки на значение и форму выходного сигнала. Напряжение срабатывания у триггеров на биполярных транзисторах (серии 155, 133) около 1,5 В. Напряжение отпускания около 1 В. У триггеров серий КМОП (564, 176) напряжения срабатывания и отпускания зависят от напряжения источника питания.

Так, у 564TЛ1 равны 2,9, 5,2, 7,3 В при напряжениях питания 5, 10 и 15 В. Соответственно напряжения отпускания равны 0,7, 1,0, 1,3 В.

Интегральные триггеры Шмитта устанавливают перед логическими элементами в тех случаях, когда им приходится работать с входными сигналами, имеющими значительную длительность фронтов. В этих случаях триггеры Шмитта повышают крутизну нарастания сигналов, «предохраняют» ЛЭ от длительного нахождения в активном режиме, в котором те могут самовозбудиться, и подвергаются повышенному действию помех.

При необходимости получить повышенную стабильность напряжений срабатывания и отпускания триггеры Шмитта выполняют на операционных усилителях, например так, как показано на рис. 8.29, б. Уровень входного сигнала его срабатывания определяется значением напряжения . Его можно легко регулировать в широких пределах.

Рассматриваемый триггер Шмитта представляет собой ОУ, охваченный положительной ОС с помощью резисторов . Коэффициент ОС .

Из теории обратной связи известно, что усилитель, охваченный положительной ОС, переходит в автогенераторный режим или становится регенеративным устройством при выполнении условия . Следовательно, если , то данное устройство будет обладать регенеративными свойствами и выходная характеристика будет релейной.

Пусть на инвертирующий вход подано входное напряжение, существенно меньшее . Тогда ОУ находится в состоянии, в котором Значение этого напряжения определяется типом ОУ и напряжениями питания

Если пренебречь влиянием синфазного сигнала, то можно считать, что выходной сигнал ОУ начнет изменяться в том случае, если между его входами будет разность напряжений, меньшая

где — коэффициент усиления ОУ.

Таким образом, если входное напряжение будет меняться, то в тот момент, когда разность напряжений между входами станет меньше , напряжение на выходе ОУ изменится. ОУ выйдет из состояния насыщения и вследствие действия цепи положительной ОС начнет регенеративный процесс. Так как на неинвертирующем входе напряжение равно , то регенерация начнется в момент времени, когда

или

В результате процесса регенерации ОУ окажется снова в состоянии насыщения, но выходное напряжение будет уже противоположного знака и равно Процесс регенерации протекает следующим образом: как только входное напряжение стало равным , усилитель выходит из насыщения. Выходное напряжение начинает уменьшаться, снижая напряжение на неинвертирующем входе. Это приводит к уменьшению разности потенциалов между входами и дальнейшему снижению выходного напряжения. После того как выходное напряжение перейдет нулевое значение, разность потенциалов между входами начнет возрастать по модулю, но полярность меняется на противоположную. Процесс протекает лавинообразно, и в итоге усилитель «попадает» в насыщение по другой полярности. На входе ОУ, который не инвертирует входной сигнал, установится напряжение

Это состояние будет устойчивым при всех значениях входного напряжения, больших .

Если теперь уменьшить входное напряжение, то выходное напряжение не изменит своего значения до момента, пока ОУ не выйдет из насыщения, что имеет место при дифференциальном сигнале ОУ:

Процесс регенерации, обусловленный выходом ОУ в активную область, начнется при

Подставив (8.20) в (8.21), получим

Разные входные напряжения, при которых формирователь срабатывает, говорит о наличии гистерезиса, аналогичного гистерезису у триггера Шмитта. Ширина петли гистерезиса определится разностью входных напряжений и

Как видно из выражения (8.23), ширина петли гистерезиса зависит от напряжений , а также от коэффициента обратной связи. Если , то гистерезис отсутствует совсем, так как выражение, стоящее во вторых скобках в (8.23), обращается в нуль. Если , то (8.23) можно упростить и записать в виде

Таким образом, передаточная характеристика формирователя имеет вид, показанный на рис. 8.29, в.

Напряжение смещает середину петли гистерезиса, практически не меняя ее ширины, зависящей от коэффициента обратной связи у и уровней ограничения ОУ. Следует обратить внимание на то, что при очень малом у коэффициент усиления ОУ влияет на ширину петли гистерезиса.

Нестабильность напряжений приводит к изменению ширины петли гистерезиса и изменениям уровней срабатывания и отпускания. Этого недостатка лишен формирователь, схема которого показана на рис. 8.29, д. В нем напряжение ОС стабилизировано по обеим полярностям с помощью стабилитронов . При этом все полученные выше уравнения остаются справедливыми, только в них вместо необходимо подставить напряжение стабилизации соответствующего стабилитрона, добавляя к нему падение уравнения на стабилитроне, который при данной полярности выходного напряжения выполняет функции открытого диода.

Возможны и другие схемы выполнения формирователей с характеристиками типа триггера Шмита, например такие, как показано на рис. 8.29, д.

У формирователя (рис. 8.29, д) в цепь обратной связи включен диод VD. Введение его приводит к тому, что один уровень срабатывания для уменьшающегося приблизительно равен . Другой уровень, для увеличивающегося , определяется из выражения

Если значения входного напряжения меньше второго уровня срабатывания, то цепь работает как «защелка». Действительно, стоит только раз входному напряжению уменьшиться до значения ниже , как формирователь сработает и останется в этом положении до тех пор, пока не будет подан входной сигнал, больший второго уровня срабатывания формирователя.