НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ТРИГГЕР
ASYMMETRICAL TRIGGER

Изобретение относится к импульсной технике и позволяет повысить быстродействие и экономичность несимметричного триггера, а также улучшить форму его выходных сигналов.
Известен формирователь импульсов (см. авторское свидетельство СССР №1721807, «Формирователь импульсов», О.В. Киселёв, опубликовано 23.03.92, БИ №11), содержащий в мостовом инверторе первый и второй p-n-p-транзисторы и первый и второй n-р-n-транзисторы, эмиттеры транзисторов одного типа проводимости соединены с одноименными шинами питания, коллекторы каждой пары транзисторов противоположного типа проводимости соединены с соответствующими выходными клеммами формирователя, первый и второй n-р-n-транзисторы, коллекторы которых соединены с первыми выводами первого и второго резисторов соответственно, базы соединены с первыми выводами третьего и четвертого резисторов соответственно, пятый, шестой, седьмой и восьмой резисторы, первые выводы которых соединены с базами соответствующих транзисторов мостового инвертора. Второй вывод третьего резистора соединен с входной клеммой формирователя. Второй вывод четвертого резистора соединен с коллектором первого n-p-n-транзисторы и вторыми выводами пятого и шестого резисторов. Вторые выводы первого и второго резисторов соединены с первой шиной питания, вторые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены с коллектором второго n-р-n-транзисторы. Эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с шиной питания.
Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость, так как при пологих фронтах входного сигнала шумы и наводки могут приводить к раздвоению фронтов выходного сигнала, что связано с отсутствием петли гистерезиса в передаточной характеристике формирователя.
Известен несимметричный триггер с эмиттерной связью (см. авторское свидетельство СССР №744922, «Несимметричный триггер», К.К. Нахтигаль и В.В. Снегирёв, опубликовано 30.06.80 г., БИ №24), выполненный на двух транзисторах одного типа проводимости с непосредственной связью между коллектором входного транзистора, содержащего в коллекторной и эмиттерной цепях резисторы, и базой выходного транзистора, включенного по схеме с общим коллектором. База входного транзистора через резистор подключена к шине питания. Между эмиттерами транзисторов включен вентильный элемент, например стабилитрон, в прямом включении для тока нагрузки, а эмиттерный резистор входного транзистора подключен к общей шине.
Недостатком данного устройства является противоречие между экономичностью устройства и его быстродействием, так как уменьшение сопротивления резистора в эмиттерной цепи выходного транзистора приводит к повышению быстродействия несимметричного триггера, но одновременно приводит к повышению потребляемого устройством тока. Кроме того, устройство не обеспечивает достаточного качества формы выходных импульсов. Верхний уровень формируемых импульсов значительно ниже напряжения питания из-за падения напряжения на резисторе в коллекторной цепи входного транзистора и на базо-эмиттерном переходе выходного транзистора. Нижний уровень значительно выше напряжения на общей шине из-за падения напряжения на резисторе в эмиттерной цепи выходного транзистора, что связано с протеканием тока через вентильный элемент. Задний фронт формируемого импульса растянут, так как происходит разряд емкости нагрузки через резистор в эмиттерной цепи выходного транзистора.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Решаемой технической задачей является создание экономичного несимметричного триггера, обладающего при этом высоким быстродействием и формирующего выходные импульсы с крутыми фронтами и уровнями, максимально приближенными к потенциалам шин питания.
Достигаемым техническим результатом является повышение экономичности, быстродействия и качества формы выходного импульса за счет введения динамической нагрузки для выходного транзистора в виде дополнительного комплементарного транзистора. Кроме того, для повышения быстродействия в одном из вариантов несимметричного триггера входной транзистор работает в режиме с общей базой.
Для достижения технического результата в несимметричный триггер, содержащий первый и второй транзисторы одного типа проводимости, шину питания и общую шину, вход и выход устройства и пять резисторов, первый вывод первого резистора соединен с входом устройства, первые выводы второго и третьего резисторов подключены, соответственно, к коллектору первого и базе второго транзисторов, первый вывод четвертого резистора соединен с базой первого транзистора, новым является то, что дополнительно введены шестой резистор и третий транзистор другого типа проводимости, эмиттер которого подключен к шине питания и через шестой резистор к его базе и второму выводу второго резистора, коллекторы второго и третьего транзисторов объединены и соединены с выходом устройства и вторым выводом четвертого резистора, базы первого и второго транзисторов соединены между собой через пятый резистор, второй вывод третьего резистора соединен с коллектором первого транзистора, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине, эмиттер первого транзистора подключен к входу устройства или к общей шине, а второй вывод первого резистора соединен с общей шиной или с базой первого транзистора.
Указанная совокупность существенных признаков позволяет улучшить форму выходного импульса и повысить экономичность и быстродействие несимметричного триггера за счет введения третьего транзистора другого типа проводимости, представляющего собой динамическую нагрузку для второго транзистора. Третий транзистор закрыт, когда открыт второй, и открыт, когда второй закрыт. Экономичность несимметричного триггера обеспечивается тем, что в статических режимах один из выходных транзисторов закрыт и сквозной ток, протекающий через них от шины питания к общей шине близок к нулю. Быстродействие обеспечивается тем, что емкость нагрузки перезаряжается через малое сопротивление открытого транзистора при формировании как переднего так и заднего фронтов выходного импульса. Это обстоятельство обеспечивает высокую крутизну фронтов выходного импульса, а малые сопротивления каналов открытых выходных транзисторов обеспечивают приближение уровней выходных сигналов к потенциалам шины питания и общей шине.
На фиг. 1 приведен вариант схемы несимметричного триггера с первым транзистором, работающим в режиме с общей базой, а на фиг. 2 - вариант схемы несимметричного триггера с первым транзистором, работающим в режиме с общим эмиттером.
Несимметричный триггер, содержит первый 1 и второй 2 транзисторы одного типа проводимости, шину питания 3 и общую шину 4, вход 5 и выход 6 устройства и пять резисторов, первый вывод первого резистора 7 соединен с входом устройства 5, первые выводы второго 8 и третьего 9 резисторов подключены, соответственно, к коллектору первого 1 и базе второго 2 транзисторов, первый вывод четвертого резистора 10 соединен с базой первого транзистора 1, шестой резистор 11 и третий транзистор 12 другого типа проводимости, эмиттер которого подключен к шине питания 3 и через шестой резистор 11 к его базе и второму выводу второго резистора 8, коллекторы второго 2 и третьего 3 транзисторов объединены и соединены с выходом устройства 6 и вторым выводом четвертого резистора 10, базы первого 1 и второго 2 транзисторов соединены между собой через пятый резистор 13, второй вывод третьего резистора 9 соединен с коллектором первого транзистора 1, эмиттер второго транзистора 2 подключен к общей шине 4, эмиттер первого транзистора 1 подключен к входу устройства 5 или к общей шине 4, а второй вывод первого резистора 7 соединен с общей шиной 4 или с базой первого транзистора 1.
Несимметричный триггер (см. фиг. 1) работает следующим образом.
Если при подаче напряжения питания на шину питания 3 потенциал сигнала на входе устройства 5 равен потенциалу на общей шине 4, то несимметричный триггер может установиться в любое из двух состояния (нулевое, когда на выходе 6 устройства будет присутствовать сигнал логического нуля, или единичное, когда на выходе 6 устройства будет присутствовать сигнал логической единицы). Все зависит от случайных величин: разброса параметров первого и второго транзисторов и наличия помех с положительной или отрицательной амплитудой на входе 5 устройства.
Допустим, что несимметричный триггер при подаче напряжения питания установился в нулевое состояние. Второй транзистор 2 открыт, а первый 1 - закрыт. При этом потенциал базы первого транзистора 1 ниже потенциала базы второго транзистора 2 на величину падения напряжения на пятом резисторе 13, вызванного протеканием тока с шины питания 3 через шестой 11, второй 8, третий 9, пятый 13 и четвертый 10 резисторы и открытый второй транзистор 2 в общую шину 4. Падение напряжения на пятом резисторе 13 при нулевом состоянии несимметричного триггера рассчитывается по формуле:
R5
R5
ΔU(0)=I(0)⋅R5
R5
где I(0) - ток, протекающий через пятый резистор при нулевом состоянии несимметричного триггера;
K5 - сопротивление пятого резистора.
Ток, протекающий через пятый резистор, рассчитывается по формуле:
R5
пит
кэ
I(0)=(U-U)/(R6+R2+R3+R5+R4),
пит
где U - напряжение питания несимметричного триггера;
кэ
U - падение напряжения на открытом транзисторе;
R6, R2, R3, R5, R4 - сопротивления резисторов.
R5
Для переключения несимметричного триггера в единичное состояние необходимо на его вход 5 подать напряжение на величину ΔU(0) ниже потенциала общей шины 4 (при допущении, что напряжения на базо-эмиттерных переходах первого 1 и второго 2 транзисторов равны). При этом, за счет действия положительных обратных связей с коллектора первого транзистора 1 через третий резистор 9 на базу второго транзистора 2 и с коллектора второго транзистора 2 через четвертый резистор 10 на базу первого транзистора 1, произойдет лавинообразное переключение несимметричного триггера в единичное состояние. В этом состоянии первый транзистор 1 открыт, а второй 2 - закрыт. При этом потенциал базы второго транзистора 2 ниже потенциала базы первого транзистора 1 на величину падения напряжения на пятом резисторе 13, вызванного протеканием тока с шины питания 3 через открытый третий транзистор 12 четвертый 10, пятый 13, третий 9 резисторы и открытый первый транзистор 1 в общую шину 4. Падение напряжения на пятом резисторе 13 при единичном состоянии несимметричного триггера рассчитывается по формуле:
R5
R5
ΔU(1)=I(1)⋅R5
R5
где I(1) - ток, протекающий через пятый резистор при единичном состоянии несимметричного триггера;
K5 - сопротивление пятого резистора.
Ток, протекающий через пятый резистор, рассчитывается по формуле:
R5
пит
кэ
I(1)=(U-2U)/(R4+R5+R3),
пит
где U - напряжение питания несимметричного триггера;
кэ
U - падение напряжения на открытом транзисторе;
R4, R5, R3 - сопротивления резисторов.
R5
Для переключения несимметричного триггера в нулевое состояние необходимо на его вход 5 подать напряжение на величину ΔU(1) выше потенциала общей шины 4 (при допущении, что напряжения на базо-эмиттерных переходах первого 1 и второго 2 транзисторов равны). При этом, за счет действия положительных обратных связей с коллектора первого транзистора 1 через третий резистор 9 на базу второго транзистора 2 и с коллектора второго транзистора 2 через четвертый резистор 10 на базу первого транзистора 1, произойдет лавинообразное переключение несимметричного триггера в нулевое состояние.
гист
R5
R5
R5
R5
Таким образом ширина петли Гистерезиса несимметричного триггера ΔU=ΔU(1)+ΔU(0). Верхний порог петли гистерезиса (напряжение срабатывания) располагается на ΔU(0). выше потенциала общей шины 4, а нижний порог (напряжение отпускания) - на ΔU(1) ниже потенциала общей шины 4. Если сигнал на вход 5 несимметричного триггера подается через коаксиальный кабель, то сопротивление первого резистора 7 должно быть равно волновому сопротивлению кабеля.
бэ
R1
бэ
R1
бэ
R1
бэ
R1
бэ
Вариант несимметричного триггера с первым транзистором, работающим в режиме с общим эмиттером, (см. фиг. 2) работает аналогично. Отличие заключается в том, что входной сигнал подается через первый резистор 7 на базу первого транзистора 1. Напряжение срабатывания несимметричного триггера находится на уровне U+ΔU(0) (где U - напряжение на базо-эмиттерном переходе первого транзистора 1 в момент его открывания, ΔU(0) - падение напряжения на первом резисторе 7 при нулевом состоянии несимметричного триггера в момент открывания первого транзистора 1. Напряжение отпускания несимметричного триггера находится на уровне U - ΔU(0) (где U - напряжение на базо-эмиттерном переходе первого транзистора 1 в момент его закрывания, ΔU(1) - падение напряжения на первом резисторе 7 при единичном состоянии несимметричного триггера в момент закрывания первого транзистора 1. Таким образом, в сравнении с предыдущим вариантом, уровни напряжений срабатывания и отпускания подняты над потенциалом общей шины 4 на величину U. Ширина петли гистерезиса зависит от сопротивления первого резистора 7 и может регулироваться изменением этого сопротивления.
Оба варианта несимметричного триггера преобразуют уровни входных сигналов в уровни, пригодные для подачи на входы КМОП-микросхем. При этом первый вариант (см. фиг. 1) инвертирует преобразуемые сигналы, а второй вариант (см. фиг. 2) преобразует сигналы без инверсии.
Проведено макетирование несимметричного триггера с использованием транзисторов КТ3102А, КТ3107А и резисторов серии С2-33Н. Проведено так же математическое моделирование с помощью программы АРС-Модель. Схема несимметричного триггера использована в составе автоматизированного рабочего места по контролю электрических величин электронных приборов в качестве приемника логических сигналов, передаваемых по коаксиальному кабелю. Указанные работы подтвердили работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность.