Триггер Шмитта. Схема, принцип работы

Триггером Шмитта называется схема (рис. 1), в которой оба каскада соединены ветвью, в которой происходят суммирование сиг­налов из двух каскадов и обратная подача этих сигналов на выходы

Такое решение используется в мультивибраторах с общим эмиттерным резистором. Для каждого из каскадов на этом резисторе возни­кает ООС, одновременно образуется ПОС, так как часть выходного напряжения второго каскада через этот резистор подводится к пер­вому каскаду. Отрицательная обратная связь стабилизирует рабо­чую точку, а, кроме того, при соответствующем подборе элементов цепи (например, при большом сопротивлении эмиттерного резистора) может не допускать возникновения «перевозбуждения» в схеме. При этом схема работает без захода в область насыщения, благодаря чему получают импульсы с крутыми фронтами и малой временной задержкой, называемой гистерезисом по отношению к запускающим импульсам. Связь с выхода первого каскада на вход второго осу­ществляет резистор или диод. Это связь по постоянному току. Триг­геры Шмитта применяют в качестве схем с одним или двумя устой­чивыми состояниями, а также для формирования прямоугольных колебаний.

Рисунок 1 − Схема триггера Шмитта и формы управляющего и вы­ходного напряжения

Достоинство схемы заключается, в частности, в том, что вход схемы не охвачен петлей ОС и поэтому на входе отсутствуют сигналы, генерируемые схемой. Кроме того, выход схемы хорошо развязан от входа.

Работа схемы протекает следующим образом. Если напряжение на входе (управ­ляющее напряжение) равно нулю, транзистор Т₁ заперт. В это время проводит транзистор Т₂, так как на него поступает соответствующее смещение с делителя R_k,R₁,R₂. Делитель, смещающий транзистор Т₂ (в основном R_k), подобран таким образом, чтобы транзистор Т₂ не работал в режиме насыщения Протекающий через транзистор Т₂ ток создает падение напряжения на эмиттерном резисторе R_э, а это в свою очередь вызывает еще более глубокое запирание тран­зистора Т₁. Увеличение входного напряжения выше определенного уровня вызывает отпирание транзистора Т₁ и быстрый переход схе­мы в другое состояние. В этом состоянии напряжение на коллекторе транзистора Т₁ убывает и, следовательно, уменьшается напряжение на базе транзистора Т₂ и он закрывается. Триггер остается в этом состоянии до тех пор, пока входной сигнал выше порогового уровня. Выходное напряжение в этом состоянии достигает своего максималь­ного значения. Если управляющее транзистором Т₁ напряжение уменьшается ниже порогового уровня, наступает рост напряжения на коллекторе транзистора Т₁, а следовательно, увеличение напря­жения на базе транзистора Т₂, так что транзистор Т₂ начинает про­водить ток и происходит переброс схемы в первое состояние.

Из приведенного описания вытекает одно из типичных приме­нений триггера Шмитта − использование его в качестве генератора прямоугольных колебаний. Триггер Шмитта применяется также в качестве амплитудного дискриминатора или порогового детектора.

Принцип работы триггера

Триггерами называют устройства, имеющие два устой­чивых состояния, у которых переход из одного состояния в другое происходит вследствие регенеративного процесса.

Под регенеративным процессом обычно понимают переходный процесс в электрической цепи охваченной поло­жительной ОС с петлевым усилением Кβ> 1 в широком диапазоне частот, который характеризуется резкими изменени­ями токов и падений напряжений на элементах цепи.

Переход триггера из одного устойчивого состояния в другое происходит при воздействии управляющего сигнала и со­провождается скачкообразным изменением токов и напряжений.

Рассмотрим принцип работы симметричного триггера на транзисторах п-р-п-типа, схема которого приведена на рис. Триггер представляет собой два усилителя на транзисторах VT1 и VT2. Выход каждого усилителя соединен с входом другого. Обратная связь, получаемая в результате такого соединения усилителей, является положительной.

В принципе в приведенной схеме возможно состояние электрического равновесия, при котором оба транзистора VT1 и VT2 открыты и находятся в активной области. В этом случае токи i_к1 и i_к2 равны между собой и падения напряжений на элементах схемы не изменяются в течение времени. Однако такое состояние является неустойчивым и любые флуктуации тока или напряжения приведут к лавинообразному процессу нарастания тока одного и убывания тока другого транзисторов. Например, увеличение коллекторного тока i_к1 приведет к умень­шению коллекторного напряжения U_K1 транзистора VT1. Это в свою очередь, приведет к уменьшению напряжения U_К2 и тока I_Б2 транзистора VT2. Последнее вызовет уменьшение I_К2 и увеличение U_K2, U_Б1. Следовательно, произойдет даль­нейшее увеличение тока I_К1. Процесс носит лавинообразный характер и продолжается до тех пор, пока не прекратится действие положительной обратной связи. Это возможно при запирании одного транзистора (например, VT2) или насыщении другого (VT1). В обоих случаях триггер будет находиться в состоянии устойчивого равновесия.

Если параметры схемы выбраны так, что когда один из транзисторов закрыт, другой открыт и насыщен, то такой триггер называют насыщенным. Если открытый транзистор находится на границе активной области и не входит в режим насыщения, то триггер называется ненасыщенным.

В одном из устойчивых состояний триггер может находиться как угодно долго до момента, пока не поступит сигнал от источника внешнего управляющего напряжения. Пусть оно вводится в цепь базы запертого коллектора VT2. Как только напряжение управляющего сигнала достигнет уровня, при котором VT2 откроется, появится коллекторный ток I_К2 и уменьшится ток базы I_Б1. Транзистор VT1 выйдет в активную область и будет восстановлена петля поло­жительной обратной связи. Возникающий при этом реге­неративный процесс совершенно аналогичен описанному выше. Он приведет к опрокидыванию триггера. В итоге транзистор VT1 закроется, а транзистор VT2 откроется и окажется в области насыщения. Триггер перейдет во второе устойчивое состояние. В процессе опрокидывания триггера на коллекторах транзисторов формируются положительные и отрицательные перепады токов и напряжений.

Конденсаторы С₁ и С₂ включены для ускорения процесса переключения и носят название ускоряющих. Они также выполняют роль элементов памяти о предыдущем состоянии триггера и обеспечивают четкость его переключения в новое состояние.

Мультивибратор с коллекторно-базовыми связями. Схема, принцип работы

На рис. 14.14 представлена схема мультивибратора на транзи­сторах. Как и в бистабильной ячейке, коллектор каждого транзи­стора связан с базой другого транзистора, но связь в мультивибра­торе не непосредственная, а через конденсаторы.

В отличие от триггера, мультивибратор в принципе способен самостоятельно генерировать колебания, близкие к прямоуголь­ным. Следовательно, он является автогенератором колебаний пря­моугольной формы.

В отличие от RС-генераторов синусоидальных колебаний, в мультивибраторах применяется очень сильная положительная об­ратная связь, в результате чего транзисторы поочередно входят то в режим насыщения, то в режим отсечки. Возможно также и дли­тельное устойчивое состояние, когда оба транзистора находятся в насыщении. При этом для возникновения колебаний необходим импульс, запирающий один из транзисторов. Следовательно, в мультивибраторе возможен жесткий режим возникновения коле­баний.

Мультивибратор бывает как симметричным, так и несимметрич­ным. У симметричного мультивибратора коллекторные сопротивле­ния в обоих плечах одинаковы, одинаковы также базовые со­противления и емкости. Для простоты рассмотрим работу сим­метричного мультивибратора.

Если транзистор VT1 открыт и находится в режиме насыще­ния, то в это же время транзистор VT2 заперт. При этом правая обкладка конденсатора С_б1 соединена через R_k2 с источником питания, а левая соединена с базой транзистора VT1. Протекаю­щий зарядный ток поддерживает потенциал базы транзистора VT1 на уровне, близком к u_бэ = 0,8 В, вполне достаточном, чтобы VT1 находился в режиме насыщения. Напряжение база - эмиттер не может стать заметно большим этого напряжения из-за ограни­чивающего действия экспоненциальной входной характеристики транзистора и ограничения тока резистором R_K2. Конденсатор за­ряжается до напряжения u_п – u_бэ1, где u_бэ1 = 0,8 В. После оконча­ния заряда конденсатора С_б1 напряжение u_бэ1 остается примерно таким же и поддерживается за счет тока через R_б1.

Во время и после окончания заряда конденсатора С_б1 транзи­стор VT2 остается запертым напряжением на конденсаторе С_б2, зарядившемся в предыдущий полупериод. В самом деле, если С_б2 зарядился до напряжения u_п – u_бэ2, то все это напряжение при­ложено между базой и эмиттером VT2, так как потенциал левой обкладки конденсатора, равный напряжению коллектор - эмиттер, насыщенного транзистора VT1, очень близок к нулю.

Чтобы транзистор VT2 открылся, необходимо, чтобы конден­сатор С_б2 не только полностью разрядился, но и частично пере­зарядился до напряжения u_бэ2 ≈ 0.6 В, при котором VT2 стано­вится проводящим. Как только транзистор VT2 начинает прово­дить, его коллекторный потенциал падает, что через конденсатор C_б1 передается на базу VT1. Последний переходит в активный режим. Возникающий при этом регенеративный процесс быстро переключает схему из одного квазиустойчивого состояния в дру­гое, при котором VT1 находится в режиме отсечки, a VT2 − в режиме насыщения.

На рис. 14.15 приведены зависимости коллекторного тока и напряжений на коллекторе и базе транзистора VT1. Аналогичные зависимости для транзистора VT2 имеют такой же вид, но сдви­нуты по фазе на половину периода.

При заряде конденсатора

При разряде конденсатора

Постоянная времени разряда должна быть не менее чем на порядок больше постоянной времени заряда. Это необходимо для того, чтобы один из конденсаторов С_б полностью зарядился (за время, равное нескольким постоянным времени заряда), пока дру­гой конденсатор разряжается и держит запертым «свой» транзи­стор.

Транзистор отпирается, когда u_C(t) ≈ 0.6 В. Следовательно, по­лупериод прямоугольного колебания, генерируемого симметрич­ным мультивибратором, можно найти из равенства:

Отсюда:

Пренебрегая напряжением 0.6 В по сравнению с напряжением U_П, получаем:

Данное выражение выведено в предположении мгновенности переключения транзисторов и не учитывает времени на рассасы­вание зарядов, накопленных в базе.

Из описания работы следует, что каждый из конденсаторов в процессе работы изменяет поляр­ность напряжения. На схеме же (см. рис. 14.14) указана вполне определенная полярность напря­жений на обкладках конденсато­ров по двум причинам:

1. 
   боль­шую часть времени конденсаторы заряжены как показано на схе­ме;
   
2. 
   указанная полярность является условно положительной.