УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО ГИСТЕРЕЗИСА
ELECTRONIC HYSTERESIS DEVICE

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам, аналогичным триггеру Шмитта.
Известен триггер Шмитта на основе операционного усилителя (http://rus12.on.ufanet.ru/el/39.htm). Это устройство является компаратором с гистерезисом передаточной характеристики и реализуется при охвате его положительной обратной связью по неинвертирующему входу. Особенностью такого построения является необходимость двух источников питания для работы операционного усилителя и наличие дополнительного опорного напряжения, что существенно сужает спектр применения схемы.
Известно устройство, представленное в авторском свидетельстве SU 1213522. Устройство решает задачу обеспечения возможности передачи величины амплитуды входного напряжения на выход триггера при превышении некоторого порогового уровня на входе. Достоинством указанного устройства является возможность обеспечения работы устройства без внешнего источника питания. Однако значение порогов срабатывания и отпускания схемы одинаковы, и теряется свойство гистерезисной передаточной функции.
За прототип предлагаемого устройства электронного гистерезиса взят известный триггер Шмитта, построенный на двух транзисторах одного типа проводимости с одним общим сопротивлением в цепи обратной связи (http://radioforall.ru/2010-01-11-19-05-54/311-2010-01-14-15-06-33). В таком триггере ширина петли гистерезиса передаточной функции определяется разностью падений напряжения на общем сопротивлении, стоящем в цепи положительной обратной связи, от токов первого и второго транзисторов, стоящих в разных плечах триггера. Однако для работы такого триггера требуется источник питания, а пороги срабатывания и отпускания триггеров Шмитта находятся в прямой зависимости от значения питающего напряжения. Кроме того, у рассматриваемого триггера нижний уровень петли гистерезиса на выходе не равен нулю. Это существенно затрудняет возможность его использования и снижает область применения такой схемы.
Целью разработки специального устройства электронного гистерезиса является создание устройства, аналогичного триггеру Шмитта. Но его работа не должна требовать какого-либо внешнего источника питания, а параметры петли гистерезиса передаточной характеристики должны определяться только параметрами используемых элементов схемы.
Указанная цель достигается тем, что в известный триггер Шмитта, имеющий гистерезисную характеристику и состоящий, например, из первого и второго n-канальных МОП транзисторов, первого и второго сопротивлений истоков, где исток первого транзистора соединен с затвором второго МОП транзистора, и одного общего сопротивления стоков транзисторов, второй вывод которого соединен с общей шиной, введены стабилитрон, четвертый, пятый резисторы и третий p-канальный МОП транзистор, исток которого подключен к выходу триггера Шмитта, затвор соединен с истоком первого транзистора триггера Шмитта, а сток, который одновременно является выходом устройства электронного гистерезиса, соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства и триггера Шмитта, а шина питания триггера Шмитта, которая одновременно является входом устройства электронного гистерезиса, соединена с первым выводом стабилитрона, второй вывод которого соединен с входом триггера Шмитта и с первым выводом пятого резистора, вторым выводом соединенного с общей шиной.
Электрическая схема устройства приведена на фиг.1, а его передаточная характеристика, поясняющая принцип его работы, приведена на фиг.2.
Схема состоит из двух транзисторов одного типа проводимости 1, 2, например n-канальных МОП транзисторов, одного транзистора второго типа проводимости 3, например p-канального МОП транзистора, одного стабилитрона 4, пяти сопротивлений 5, 6, 7, 8, 9, входной шины 10, выходной шины 11 и общей шины 12.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>R</mi><mn>7</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>к</mi><mo>−</mo><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>к</mi><mtext> </mtext><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>R</mi><mn>9</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>к</mi><mo>−</mo><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>к</mi><mtext> </mtext><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>R</mi><mn>9</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
R8
вх
ст
ст
ист2
ист1
a
a
Устройство работает следующим образом. В исходном, обесточенном состоянии все транзисторы закрыты. Выход устройства через резистор 9 подключен к общей шине. На выходе устройства устанавливается нулевой уровень напряжения. С появлением напряжения на входной шине это напряжение через резисторы 5 и 6 прикладывается к затвору и стоку p-канального транзистора 3 и одновременно через сопротивление 5 к затвору n-канального транзистора 2. Некоторое время еще все транзисторы будут оставаться закрытыми. Когда напряжение на входе транзистора 2 достигнет порога срабатывания, последний откроется. Триггер, состоящий из транзисторов 1, 2 и резисторов 5, 6 и 7, принимает свое первое устойчивое состояние. По резисторам 6 и 7 начнет протекать ток, и на затворах транзисторов 1 и 3 возникнет дополнительное запирающее напряжение за счет падения напряжений на этих резисторах. На выходе схемы продолжает удерживаться нулевой уровень напряжения (фиг.2). К затвору транзистора 1 относительно его стока будет приложено обратное напряжение
Такая ситуация сохраняется до тех пор, пока уровень входного напряжения не достигнет уровня срабатывания стабилитрона 4. После этого напряжение на сопротивлении 8 начнет быстро нарастать и будет изменяться по закону U=U-U, где U - напряжение открывания стабилитрона. Поскольку это напряжение направлено встречно по отношению к напряжению на сопротивлении 7, отрицательное напряжение на затворе транзистора 1 относительно его стока сначала начнет уменьшаться, а затем поменяет знак и начнет расти. По достижении напряжения затвора порога срабатывания ток исток - сток транзистора 1 начинает возрастать, и напряжение на его истоке и соответственно на затворе транзистора 2 начнет падать, и последний будет закрываться. Так как ток истока транзистора 2 (I) выбран больше тока истока транзистора 1 (I), напряжение на сопротивлении 7 уменьшается еще больше открывая транзистор 1. Развивается лавинообразный процесс, в результате которого триггер Шмитта и все устройство примет свое второе устойчивое состояние. Транзистор 1 откроется, транзистор 2 закроется. К затвору р-канального транзистора 3 вместо запирающего положительного напряжения будет приложено отпирающее отрицательное напряжение. И он откроется (линия «-b» на фиг.2). В дальнейшем при увеличении или уменьшении входного напряжения в некоторых пределах относительно точки «» напряжение на выходе устройства (СЭГ) будет определяться входным напряжением схемы и соотношением резисторов 6 и 9. Оно будет отклоняться относительно точки «b», показанной на фиг.2, в соответствии со следующим выражением:
Поскольку падение напряжения открытого МОП транзистора 3 практически равно нулю, это напряжение
.
cp
Напряжение на входе, при котором это происходит, принимается за порог срабатывания устройства электронного гистерезиса U (фиг.2).
отп
При уменьшении входного напряжения ниже некоторого значения, при котором разница напряжений на сопротивлении 8 и сопротивлении 7 станет меньше удержания транзистора 1 в открытом состоянии, последний начнет закрываться. При этом напряжение на истоке транзистора 1 и соответственно на затворе транзистора 2 начнет расти. Транзистор 2 начнет открываться, его ток коллектора и падение напряжения на резисторе 7 будет увеличиваться, еще более закрывая транзистор 1. Развивается лавинообразный процесс, в результате которого триггер Шмитта и все устройство электронного гистерезиса перейдут в свое первоначальное состояние (линия «с-d» на фиг.2). На выходе СЭГ опять устанавливается нулевой уровень напряжения. Входное напряжение, при котором это происходит, принимается за напряжение отпускания (или возврата - фиг.2) устройства электронного гистерезиса U. В дальнейшем при уменьшении или увеличении входного напряжения в некоторых пределах относительно точки «d» выходное напряжение схемы будет оставаться равным нулю до тех пор, пока входное напряжение опять не превысит порог срабатывания схемы.
Условие отпускания СЭГ описывается выражением
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>п</mi></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow>
Условие срабатывания СЭГ описывается выражением
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>б</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>б</mi></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow>
закр. затв-сток
откр. затв-сток
затв-сток
cp
отп
Если принять, что U= U= U, из приведенных выражений можно вычислить U и U предлагаемой схемы электронного гистерезиса.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>5</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
cp
отп
Из приведенных выражений и описания работы схемы следует, что значения параметров U и U определятся параметрами используемых элементов и могут варьироваться в широких пределах
Таким образом, предлагаемое устройство гистерезиса обладает гистерезисной передаточной функцией, не требует дополнительного источника питания, а параметры петли гистерезиса передаточной функции определяются параметрами используемых элементов схемы.