Полупроводниковые приборы Электропроводность полупроводников (стр. 12 )

       От английского trigger – спусковой крючок.

       Триггер – это устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием  внешнего управляющего сигнала. Состояние устойчивого равновесия характеризуется тем, что после слабого внешнего воздействия устройство возвращается в исходное состояние. Для перехода триггера из одного устойчивого состояния в другое необходимо, чтобы входной сигнал превысил пороговое значение.

       Сейчас триггеры выполняются в виде микросхем, построенных на основе логических элементов.

Схемы RS - асинхронных триггеров на логических элементах и их условные обозначения показаны на рисунках.

  ИЛИ – НЕ  И – НЕ

Допустим, что на входах R и S сигналы равны «0» (R =0; S = 0), а на прямом выходе Q сигнал равен «1». Тогда на инверсном выходе сигнал равен «0», т. к. на одном из входов (соединенном с Q) логического элемента ИЛИ – НЕ сигнал равен «1». На обеих входах элемента Э1 сигнал «0», поэтому Q=1. При R=0 и S=0 возможно и второе устойчивое состояние, при котором Q=0, Q=1.

Тогда при R=0 и S=1 триггер оказывается в первом устойчивом состоянии (Q=0, Q=1), а при R=1 и S=0 – во втором устойчивом состоянии (Q=0, Q=1). Комбинация R=1 и S=1 не допускается.

       В данном триггере S – установочный вход. (set – устанавливать), а R – вход сброса (reset - вновь устанавливать). При S=1 триггер в состоянии «1» (Q=0, Q=1), при R=1 сбрасывается в состояние «0» (Q=0, Q=1).

       Аналогично работает RS - триггер на элементах И – НЕ, с той лишь разницей, что он должен иметь инверсные входы, т. е. при S=0 устанавливается состояние «1», и сбрасывается в состояние «0» при R=0.

       По функциональным признакам  и по способу управления триггеры можно классифицировать следующим образом:

По функциональным признакам: RS, D, T, JK и т. д. по способу управления – синхронные (тактируемые) и асинхронные.

Рассмотренные триггеры асинхронные.

В синхронных триггерах помимо информационных имеется вход тактовых (синхронизирующих) сигналов и переключения триггера происходят только при наличии тактового сигнала.

Синхронный RS - триггер на элементах И – НЕ

Отличие данного триггера от асинхронного состоит в том, что получено наличие двух дополнительных элементов И – НЕ, благодаря которым управляющие сигналы проходят на входы R и S только при воздействии на синхронизирующий вход сигнала «1» (С=1)

Для приема информации по одному входу используются D – триггеры (на И – НЕ – элементах). Delay – задержка.

D – триггер переходит в состояние «1» (Q=1), если в момент прихода синхронизи-рующего импульса (С=1) на его информационном входе находится сигнал «1» (D=1). Это состояние остается до следующего сигнализирующего сигнала, возвращающего триггер в состояние «0». Таким образом, D – триггер задерживает поступающую на его вход информацию на время, равное периоду синхронизирующих сигналов.

Т – триггер (tumble –опрокидывать, кувыркаться) или счетный триггер, имеет один информационный вход и переходит в противоположное состояние в результате воздействия на его вход каждого очередного сигнала.

Выполняются на основе двух последовательно соединенных RS - триггеров (МS – схема), первый из которых называется ведущим (master – хозяин), а второй ведомый (slave – раб).

МS – триггер (двухступенчатый): здесь Т1- ведущий триггер, а Т2 – ведомый. При поступлении сигналов на информационные входы R или S триггера Т1, он принимает соответствующее состояние («0» или «1»). Вся информация пройдет в ведомый триггер только по окончании синхронизирующего сигнала и будет отражена на выходах Q и Q.

Так же существуют универсальные JK – триггеры (рис. А), а так же Т – (рис. Б) и D - (рис. В) триггеры на его основе.

  А)  б)  в)

JK – триггеры и D - триггеры выполняются на интегральных микросхемах, например:

2JK – триггеры  - К176ТВ1Б

4D – триггеры - К155ТМ5.

Триггеры Шмитта

Компаратором (compare – сравнивать) называют устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений. Компаратор имеет уровень выходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихся входных сигналов становится равными.

Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называется триггером Шмитта (пороговым элементом). Могут быть 1. инвертирующими и 2. неинвертирующими.

Инвертирующие выполняются на двух транзисторных каскадах усиления, охваченных положительной ОС, или на компараторе с положительной ОС.

Если к инвертирующему входу приложено достаточно большое отрицательное напряжение Uвх, то выходное напряжение компаратора  Uвых = Uвых мах. При этом напряжение прямого входа

Если увеличивать Uвх, то выходное напряжение компаратора  Uвых не изменяется до тех пор, пока Uвх не станет меньше . При их равенстве выходное напряжение за счет действия положительной ОС изменяется скачком до Uвыхмin, а напряжение прямого входа до

При дальнейшем увеличении входного напряжения, выходное не изменяется. Если уменьшать входное напряжение, то выходное изменится только при Uвх=. Для получения двух устойчивых состояний в триггере необходимо соблюдать условие:  к*β>1, где к – коэффициент усиления операционного усилителя, а β = - коэффициент обратной связи.

Неинвертирующий триггер Шмитта  выполняется на микросхемах К155ТЛ1. Применяется для формирования напряжения прямоугольной формы из входного напряжения произвольной формы.

Генераторы релаксационных колебаний

Релаксационные генераторы служат для получения прямоугольных импульсов. Они могут работать в одном из трех режимов:

автоколебаний, ждущем, синхронизации.

Чаще используются первые два режима.

В режиме автоколебаний в релаксаторе нет состояния устойчивого равновесия, имеется только два состояния квазиравновесия. Квазиравновесие характеризуется сравнительно медленными изменениями токов и напряжений, приводящими к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода релаксатора из одного состояния в другое.  Релаксатор переходит из одного состояния в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы, параметры которых зависят от параметров релаксатора. Такой релаксатор называется мультивибратором.

В ждущем режиме релаксатор имеет состояние устойчивого равновесия и состояние  квазиравновесия. Переход из первого состояния во второе происходит под воздействием внешнего запускающего импульса, а обратный переход – самопроизвольно по истечении некоторого времени, определяемого параметрами прибора. Т. о., В ждущем режиме релаксатор генерирует один импульс с определенными параметрами при воздействии запускающего импульса. Такие релаксаторы называются – одновибраторами.

Мультивибраторы на операционных усилителях

Данная схема мультивибратора выполнена на основе инвертирующего триггера Шмитта. Здесь отрицательная ОС осуществляется через фильтр нижних частот в виде RC – цепи.

Допустим, что выходное напряжение мультивибратора равно выходному максимальному Uвыхmax. Тогда напряжение на инвертирующем входе (равное напряжению на конденсаторе ис) отрицательно, а на прямом входе положительно и равно

Напряжение на конденсаторе ис= и - возрастает, т. к. конденсатор С начинает перезаряжаться через резистор R, и стремится к Uвыхmax. Когда ис достигает уровня Uвыкл триггера Шмитта, напряжение Uвых скачком изменяется до Uвыхmin. Таким образом,  Uвыхmax= - Uвыхmin= Umax, то конденсатор С начинает перезаряжаться от Uвыкл до - Umax и обратное переключение происходит при ис= Uвкл. Затем процесс периодически повторяется.

Тогда длительность импульса мультивибратора

а период  .

При R1=R2  T ≈ 2,2 RC

Одновибраторы на операционных усилителях

Отличается от мультивибратора наличием прямого входа через конденсатор С1 и диода V, включенного параллельно конденсатору С.

Допустим, что выходное напряжение одновибратора равно  Uвыхmin. Тогда на инверсном входе (на конденсаторе С) напряжение и - равно прямому напряжению открытого диода V и близко к нулю. На прямом входе напряжение положительно и равно  .

Если на прямой вход поступает короткий входной положительный импульс напряжения, амплитуда которого не менее , то триггер Шмитта скачком переходит в противоположное состояние и Uвых= Uвыхmax.

Тогда  и конденсатор С начинает заряжаться через резистор R, при этом напряжение на нем, равно и-, стремится к Uвыхmax по экспоненте. При и-= Uвыкл происходит обратное переключение триггера Шмитта, а конденсатор С начинает перезаряжаться от Uвыкл  до Uвыхmin. Однако, когда напряжение на конденсаторе ис=и - становится равным нулю, открывается диод V и дальнейшего изменения ис не происходит. Т. о., одновибратор возвращается в исходное состояние после появления на выходе одиночного прямоугольного импульса ивых(t).