Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

структура, состоящая из комплементарной пары биполярных транзисторов (рис. 5.18,а). Горизонтальный р-п-р-транзистор Ти выполняет функции инжектора носителей заряда, а многоколлекторный n-p-n-транзистор Т работает как инвертор. Микросхемы И2Л изготавливаются на кремниевой п+-подложке (рис. 5.18,б), которая служит не только конструктивной основой ИМС, но и общим электродом, объединяющим эмиттеры всех инверторов. При этом отпадает необходимость в изоляции друг от друга отдельных элементов, что приводит к заметному уменьшению площади, занимаемой базовой структурой, и повышению функциональной плотности элементов И2Л. Такая структура размещается на площади одного обычного транзистора.

Рис. 5.18. Схема И2Л элемента (а) и его базовая структура (б)

Толстый эпитаксиальный n-слой, выращенный на поверхности п+-подложки, служит эмиттерной областью для п-р-п-транзисторов с вертикальной структурой. Этот же n-слой между эмиттером и коллектором горизонтального р-п-р-транзистора является его базовой областью.

Диффузионные слои образуются в два этапа. На первом этапе формируется базовая р-область п-р-п-транзистора, которая одновременно служит и коллектором р-п-р-инжек-тора. На втором этапе создаются п+-области, образующие коллекторы п-р-п-транзистора. Один и тот же горизонтальный р-п-р-транзистор может быть использован в качестве инжектора тока для нескольких n-p-п- инверторов при соответствующей симметрии топологии, исключающей неравномерность распределения тока.

Принцип действия элемента И2Л заключается в следующем. Эмиттер транзистора Ти инжектирует носители заряда, которые поступают в эмиттерную область п-р-п-транзистора Т, одновременно

291

являющуюся базой Ти. Эти носители, поступая в базу инвертора Т, которая служит также коллектором Ти, образуют ток в коллекторных цепях транзистора Т. Инвертор выключается тогда, когда ток инжектора Ти отбирается из базы п-р-п-транзистора в другую цепь, например в коллекторную цепь предыдущей ИМС. Такое переключение тока обеспечивается путем соответствующего уменьшения входного напряжения Uвх, которое управляет смещением на эмиттерном переходе инвертора (см. рис. 5.18,а). При снижении Uвх до уровня напряжения отпирания транзистора Uвх.от ток инжектора переключается из входной цепи инвертора в коллекторную цепь предыдущей ИМС.

Триггер на элементах И2Л можно построить из двух элементов, включаемых по схеме И-НЕ (рис. 5.19,а). Перекрестная обратная связь образуется путем соединения коллекторов транзисторов Т1 и Т2 с базами соответственно Т2 и Т1. Нагрузка триггера подключа-

ется к его выходам Q и Q , в качестве которых используются коллекторы, не охваченные обратными связями.

Рис. 5.19. Схема триггера на элементах И2Л (а) и эпюры напряжений во время переходного процесса при перебросе триггера (б)

Переброс триггера производится путем подачи сигналов на его входы S и R через инверторы схемы управления (на рис. 5.19,а Т3 и Т4). Во время хранения информации входные инверторы остаются

292

в закрытом состоянии, отключая тем самым триггер от схем управления. При этом состояние триггера сохраняется благодаря перекрестным связям. Триггер на рис. 5.19,а можно использовать как в асинхронных, так и синхронных системах.

Условия (5.2) и (5.3) для триггера на элементах И2Л выполняются с запасом, определяемым помехоустойчивостью триггера:

Uпом1 = Uвых1 – Uвх.гр; Uпом0 = Uвх.от – Uвых0 .

Триггер на элементах И2Л может работать в спусковом режиме, он перебрасывается сигналом, соответствующим логическому 0, который подается на вход инвертора, находящегося в насыщенном состоянии.

На рис. 5.19,б показаны эпюры напряжений, иллюстрирующие переходные процессы при перебросе триггера. В исходном состоянии инвертор на Т1 открыт и насыщен, а инвертор на Т2 закрыт. Входной сигнал в виде положительного перепада напряжения подается на базу транзистора Т3. В момент времени t1 транзистор Т3 открывается и начинает отбирать часть тока инжектора Ти1. По мере увеличения входного сигнала возрастает ток, отбираемый коллектором транзистора Т3, поэтому уменьшается ток базы инвертора на Т1. Начинается стадия рассасывания носителей в базе Т1, продолжительность которой определяется длительностью tpac. После выхода из насыщения инвертора на Т1 по мере увеличения его выходного напряжения возрастает потенциал базы транзистора Т2.

Спустя время tзд.от, когда Uвых1(tзд.от) = Uвх.от, отпирается инвертор на Т2 и заканчивается стадия подготовки. Обычно после этого начи-

нается стадия восстановления, так как инвертор на Т1 запирается раньше, чем отпирается Т2, поэтому не возникает регенерация.

Динамические параметры триггера определяются соотношениями, характеризующими переходные процессы в последовательной цепи логических элементов. В частности, задержки при перезаписи

информации относительно входа S или R рассчитывают по формулам

tзд0,1.р.тр = tзд0,1.р ;

t1,0зд.р.тр = tзд0,1.р + t1,0зд.р ,

а время переброса Тпер = tзд0,1.р + t1,0зд.р + t1,0.

293

Рис. 5.20. Схема несимметричного триггера с эмиттерной связью

Если требуется рассчитать задержки относительно базового входа транзистора Т3 или Т4, то следует воспользоваться следующими соотношениями:

tзд0,1.р.тр = ( t1,0зд.р )Б + tзд0,1.р , t1,0зд.р.тр = ( t1,0зд.р )Б + tзд0,1.р + t1,0зд.р ,

в которых при помощи дополнительного члена ( t1,0зд.р )Б учитывается задержка переключения входного инвертора на Т3 или Т4.

5.7. Несимметричные триггеры

Несимметричные триггеры также представляют собой устройства с регенеративной обратной связью с двумя состояниями устойчивого равновесия. Они отличаются от симметричных триггеров несимметричными цепями обратной связи, одна из которых обеспечивает регенеративную обратную связь по напряжению, а другая

– обратную связь по току также регенеративного характера. Несимметричные триггеры наиболее часто применяют как поро-

говые устройства в различных электронных блоках (дискриминаторах амплитуды, регуляторах напряжения, тока, ключевых транзисторах, преобразователях и т.д.). Они удобны также для формирования прямоугольных импульсов в генератораx линейноизменяющихся напряжения и тока, формирователях и т.д. Их использование в цифровых устройствах в качестве запоминающего элемента вместо симметричных триггеров не оправдано, так как

несимметрия схемы создает определенные трудности в таких режимах работы.

На рис. 5.20 показана схема простейшего несимметричного триггера, известного в литературе как триггер Шмитта. Триггер построен на переключателе тока, который содержит два транзистора Т1 и Т2 с эмиттерной связью. При работе этих транзисторов в активной облас-

294

Uпор2

Рис. 5.21. Переключательная характеристика несимметричного триггера с эмиттерной связью

ти эмиттерная связь приводит к появлению обратной связи по току, которая дополняется обратной связью по напряжению, образуемой передачей сигнала с коллектора транзистора Т1 на базу транзистора Т2 через резистивный делитель R1–R2.

В период работы транзисторов Т1 и Т2 в активной области эти обратные связи носят регенеративный характер, поэтому данное состояние оказывается неустойчивым. Как и во всяком триггере, устойчивыми являются состояния, когда один из транзисторов (либо Т1, либо Т2) оказывается в области отсечки.

На рис. 5.21 приведена переключательная характеристика триггера. Если в качестве выхода используется коллектор Т1, что иногда встречается на практике, то за-

висимость Uвых1 = F(Uвх) представляет собой переключательную ха-

рактеристику триггера. При Uвх < транзистор Т1 закрыт, а Т2 открыт. Транзистор Т1 открывается тогда, когда входное напряжение Uвх, действующее на его базе, превышает потенциал объединенных эмиттеров U0 на величину напряжения отпирания Uот.т, т.е. при порого-

вом уровне

Uвх ≡ Uпор2 = U0 + Uот.т.

Учитывая, что потенциал эмиттеров (когда проводит Т2, а Т1 на грани отпирания)

	U0	Еи.п				R2		−Uбэ2	,
				Rк1 + R1 + R2
	получим выражение для порога срабатывания
	Uпор2 =	Еи.п			R2		−Uбэ2 +Uот.т .
			Rк1		+ R1	+ R2

При достижении Uвх порога срабатывания в триггере начинает действовать регенеративная обратная связь, обеспечивающая переброс триггера в новое состояние устойчивого равновесия, в котором Т2 оказывается закрытым, а Т1 работает в активной области

295

как усилительный каскад с глубокой отрицательной обратной связью по току. Поэтому последующее увеличение входного напряжения приводит к незначительному уменьшению потенциала коллектора Т1 на величину

Uк1 Rк (Uвх −1Uпор2 )

Rэ

(см. спад Uвых1 на рис. 5.21).

При уменьшении входного напряжения Uвх до порогового уровня Uпор2 триггер не возвращается в свое исходное состояние, т.е. транзистор Т2 не отпирается, поэтому Т1 остается пока в открытом состоянии. Это объясняется тем, что потенциал базы транзистора Т2 оказывается меньше, чем перед переходом в новое состояние, когда транзистор Т1 был закрыт. Поэтому возврат триггера в исходное состояние происходит при пороговом напряжении Uпор1 < Uпор2 тогда, когда ток коллектора Iк1 транзистора уменьшается настолько, что, с одной стороны, потенциал базы повышается до уровня

Uб2 = Еи.пR2 − Iк1Rк1(R1 + R2 ) ,

Rк1 + R1 + R2

а с другой стороны, потенциал эмиттера U0 Iэ1Rэ снижается и становится меньше потенциала базы Т2 Uб2 на величину Uот.т2. Оп-

ределив токи коллектора Iк1 и эмиттера Iэ1 Iк1, получим формулу для порога срабатывания

R

+

Rг

R

Uпор1

Uвх = Uбэ1

+

э

β

N

,

Еи.п

2

−Uот.т2

R || (R

+ R ) + R

R

к 1

2

э

где R = Rк1 + R1 + R2, Rг – внутреннее сопротивление входного ис-

точника Uвх.

На рис. 5.22 показана структурная схема несимметричного триггера, построенного на основе ИОУ или ИКН, охваченного регенеративной обратной связью. Обратная связь по напряжению осуществляется при помощи резистивного делителя R1–R2, передачей выходного напряжения на неинвертирующий вход усилителя. Обратная же связь по току реализуется во входном дифференциальном каскаде ИОУ иди ИКН, который по сути дела представляет

296

собой переключатель тока с объединенными эмиттерами или исто-

ками.
Таким образом, несимметрич-
ный триггер на ИОУ или ИКН
практически отличается от клас-
сического триггера Шмитта (см.
рис. 5.20) только дополнитель-
ными каскадами усиления, пре-
образования и сдвига потенци-
альных уровней, которые вклю-
чаются между переключателем
тока и выходной цепью триггера.	Рис. 5.22. Структурная схема
При этом как в триггере Шмитта,	несимметричного триггера
так и в триггере на рис. 5.22 точ-	на ИОУ или ИКН

ностные характеристики определяются соответствующими параметрами входного дифференциального каскада. В частности, отклонение пороговых напряжений от номинальной величины и их дрейф определяются соответствующими параметрами усилителя, образующего петлю обратной связи, т.е. Uпор1 и Uпор2 помимо других величин зависят также от напряжения отклонения, приведенного к входу

Uвх.от = Uвх.см + (Rг – R1 || R2) Iвх.см +

2

+ 0,5(Rг + R1 || R2)Iвх.сд + ∑kвл.и.пl

Eи.пl,

l=1

а дрейф Uпор1др и

Uпор2др дрейфом выходного напряжения, также

приведенного ко входу

Uвх.др = (Т1 – Т2)

Uвх.см

+(R − R || R )

Iвх.см

+

T

г 1

2

T

I

T

2

Е

T

+0,5(R

+ R ||

R )

∑

k

вх.см +

вл.и.пl

и.пl .

г

1

2

l=1

Переключательная характеристика несимметричного триггера на ИОУ приведена на рис. 5.23. Эта характеристика несимметрич-

ного триггера на ИКН отличается тем, что Uвых0 > 0 .

297

Когда Uвх < Uпор2, на выходе триггера устанавливается высокий

потенциал Uвых1 . При этом напряжение на неинвертирующем входе

Uвх1 .ни ≡Uпор2 =Uвых1 γи + Есм(1− γи)

практически равно порогу срабатывания, так как триггер переходит в новое состояние Uвых0 тогда, когда входное напряжение, которое

подается на инвертирующий вход, отличается от Uвх1						.ни на неболь-
шую величину			Uвх.ср, т.е.
Uвх.и = Uпор2 = Uвх1				.ни ± Uвх.ср Uвых1 γи + Есм(1− γи) ,
где γи =	R2		– коэффициент передачи выходного напряжения.
	R + R
1		2
Возврат триггера в состояние Uвых1					тоже происходит тогда, ко-
гда			Uвх.и = Uвх.ни ±		Uвх.ср.

Однако в этом случае на неинвертирующем входе установлено меньшее напряжение

Uвх0 .ни = γиUвых0 + Есм(1−γи),

поэтому и порог срабатывания

Uпор1 = γиUвых0 + Есм(1−γи)

оказывается меньше Uпор2.

Таким образом, переключательная характеристика триггера имеет форму гистерезисной петли с шириной

Рис. 5.23. Переключательная характеристика несимметричного триггера на ИОУ

Uгис = Uпор2 – Uпор1

(см. рис. 5.21 и 5.23). Ширину петли гистерезиса можно регулировать изменением коэффициента передачи напряжения по цепи обратной связи или перепада напряжения на выходе, откуда снимается напряжение обратной связи (в триггере Шмитта – это коллектор Т1, а в триггере на ИОУ или ИКН – это выходное напряжение).

298

При заданной ширине петли пороги срабатывания можно регулировать путем изменения напряжения смещения Есм (в триггере Шмитта такое смещение можно создавать включением потенциометра в базовую цепь транзистора Т1).

В зависимости от напряжения смещения на запускающем входе триггера возможны следующие варианты его работы. Если начальное смещение на входе меньше пороговых уровней, то триггер перебрасывается из одного состояния в другое импульсным сигналом положительной полярности. При этом во время положительного перепада напряжения, когда в момент времени t1 входное напряжение Uвх становится равным Uпор2, триггер перебрасывается в новое устойчивое состояние (см. эпюры на рис. 5.3). Возвращается триггер в исходное состояние во время отрицательного перепада, когда в момент времени t2 входной сигнал уменьшается до порогового

уровня Uпор1.

Если же смещение на входе выбрано так, что оно оказывается в середине петли гистерезиса, то переброс триггера с одного состояния в другое и его возврат в исходное состояние можно обеспечить только двухполярными сигналами.

Наконец, если смещение на входе приводит к сдвигу переключательной характеристики в область отрицательных напряжений, то триггер срабатывает только от отрицательных импульсов.

Важной характеристикой триггера является стабильность порогов срабатывания. В триггере Шмитта до некоторой степени температурную нестабильность удается уменьшить включением диода в базовую цель транзистора Т1. С увеличением температуры уменьшается перепад напряжения на прямосмещенном диоде, поэтому снижается потенциал базы Т1, что до некоторой степени компенсирует сдвиг порогов срабатывания в область меньших напряжений. В триггерах на ИОУ и ИКН для повышения стабильности порогов срабатывания стремятся симметрировать схему выбо-

ром R1 || R2 = Rг.

Переходный процесс в несимметричном триггере тоже можно разбить на три стадии: подготовки, регенерации и восстановления. Продолжительность этих стадий определяет быстродействие триггера. При этом определяющими являются продолжительность ста-

299

дий подготовки и восстановления, так как регенерация протекает за сравнительно короткое время.

Контрольные вопросы

1.Сколько у бистабильного триггера устойчивых состояний равновесия и каким образом обеспечивается их устойчивость?

2.Как определяется порог срабатывания триггера?

3.Какие состояния равновесия триггера оказываются неустойчивыми и при каких условиях это становится возможным?

4.Представьте спусковую характеристику бистабильного триггера. В каких случаях образуется петля на этой характеристике?

5.Укажите основные режимы работы триггеров и дайте краткое описание функции, выполняемой триггером в соответствующем режиме.

6.В чем отличие тактируемой триггерной системы от асинхронной?

7.В чем заключаются функции главного и вспомогательного триггеров в MS-триггерной системе?

8.Какие функции выполняют RS- и JК-триггеры?

9.Для чего предназначен D-триггер?

10.Какие параметры триггера и триггерной системы характеризуют их быстродействие?

11.Какие функции выполняют многоэмиттерные транзисторы в триггерах на элементах ТТЛ?

12.Какие функции выполняют повторители напряжения в триггерах на переключателях тока с объединенными эмиттерами?

13.Чем отличаются триггеры на МДП-транзисторах, построенных на инверторах с нелинейным резистором, от триггера на инверторах с квазилинейным резистором?

14.Почему потребляемая триггером на комплементарных парах МДПтранзисторов мощность меньше, чем мощность, потребляемая триггером на квазилинейных инверторах? Какой их этих триггеров обладает большим быстродействием и почему?

15.Какие функции выполняют горизонтальный р-п-р-транзистор и многоколлекторный п-р-п-транзистор в триггере на И2Л элементах?

16.Укажите основные функции, выполняемые несимметричными триггерами. На каких логических элементах можно реализовать такие триггеры?

17.Постройте переключательную характеристику несимметричного триггера. Какими параметрами определяется эта характеристика?

300