5.7. Несиметричний тригер (тригер Шмітта)

Ламповий варіант несиметричного тригера вперше був описаний О.Г. Шміттом, тому часто подібні пристрої називають тригером Шмітта. Основою несиметричних тригерів, як і симетричних, є двокаскадний підсилювач постійного струму охоплений позитивним зворотним зв’язком. Ці тригери, також як і симетричні тригери, мають два стійких стани, зміна яких відбувається стрибкоподібно під дією вхідних сигналів. Для тригерів Шмітта, на відміну від симетричних тригерів розглянутих вище, характерною є неідентичність обох підсилювальних каскадів і виду зв’язків між ними.

Звичайно несиметричні тригери виконують таким чином, що при відсутності керуючого сигналу на їх вході (початковий стан) сигнал на виході тригера є однозначно визначеним. Такі тригери не мають стану зберігання інформації, як симетричні тригери, і використовуються, як порогові пристрої і формувачі прямокутних імпульсів з сигналів довільної форми.

Характерною особливістю тригера Шмітта є наявність гістерезису передаточної характеристики. Така характеристика для тригера Шмітта з інверсним виходом показана на рис. 5.47а. Для такого тригера вихідним є стан високого рівня напруги U¹ на виході. При збільшенні вхідної напруги U_вх перемикання тригера у стан низького рівня напруги U⁰ відбувається при U_вх = U¹_пор. Якщо при вихідній напрузі низького рівня U⁰ зменшувати вхідну напругу тригера, то перемикання у стан з високим рівнем напруги відбувається при меншому за U¹_пор значенні U_вх = U⁰_пор (рис. 5.47а).

Рис. 5.47. Передаточна характеристика тригера Шмітта з інверсним виходом (а) і його умовне

зображення (б)

Висока крутизна передаточної характеристики тригера Шмітта у перехідний області забезпечується за рахунок використання на виході схеми буферного каскаду на підсилювачах постійного струму, у якості яких використовують ключі на біполярних (ТТЛШ) або уніполярних транзисторах (КМОНТЛ). Завдяки цьому тригери Шмітта володіють формуючими властивостями і можуть працювати при невеликій крутизні фронтів вхідного сигналу.

Несиметричні тригери входять до складу ряду серій інтегральних мікросхем: 1533 (54ALS), КР1531 (74F), КР1564 (MM74HC), КР1554 (74AC), КР1594 (74ACT) та інших, а також можуть бути реалізованими на логічних елементах і дискретних компонентах, коли виникає потреба одержати задані характеристики тригера за чутливістю і шириною петлі гістерезису.

На рис. 5.48 показана принципова схема тригера Шмітта з інверсним виходом і умовне зображення мікросхеми КР1564ТЛ2 (функціональний аналог MM74HC14), яка містить в одному корпусі шість таких тригерів.

Рис. 5.48. Мікросхема КР1564ТЛ2: а  електрична принципова схема одного тригера Шмітта; б – умовне графічне

зображення мікросхеми

Розглянемо принцип роботи схеми тригера Шмітта (рис. 5.48а). На цій схемі власне тригер Шмітта реалізовано на транзисторах VT1  VT6, а два КМОН-ключа на транзисторах VT7  VT10 утворюють буферний каскад призначений для поліпшення крутизни передаточної характеристики тригера в перехідній області. Буферний каскад виконує функцію повторювача, який передає рівень напруги з точки А схеми на вихід тригера Шмітта і поліпшує фронти вихідних сигналів.

Нехай на вході тригера сигнал низького рівня U_вх = U⁰. Тоді, оскільки U⁰ < U_{пор n-МОН} (U_{пор n-МОН} – порогова напруга МОН-транзистора з n-каналом), то транзистор VT4 закритий, відповідно, у закритому стані знаходиться і другий n-канальний транзистор VT3. Між затвором і витоком транзистора VT1 прикладена напруга U_звVT1 = U⁰ – U_сс < |U_{пор p-МОН}| (U_{пор p-МОН} – порогова напруга МОН-транзистора з p-каналом), тому p-канальний транзистор VT1 відкривається, що спричиняє також відкривання транзистора VT2. Точка А схеми відключена від землі і підключена до шини живлення. Тому в ній, і відповідно на виході тригера діє високий рівень напруги U¹  U_сс.

Напруга U¹  U_сс, прикладена до затвору транзистора VT5, забезпечує закритий стан цього транзистора, оскільки на його виток через відкритий VT1 передається напруга живлення U_сс і тому U_звVT5 = U¹  U_сс  0 В > |U_{пор p-МОН}|. Закритий VT5 не впливає на роботу схеми.

Напруга високого рівня U¹ на затворі n-канального транзистора VT6 сприяє формуванню в ньому каналу n-типу, але оскільки VT3, VT4 закриті цей транзистор також не впливає на роботу схеми.

При збільшенні напруги U_вх, коли вона досягає значення, яке задовольняє умові U_вх = U_{пор n-МОН}, транзистор VT4 відкривається, виток VT6 через відкритий VT4 підключається до землі, що завдяки високому рівню напруги U¹, який діє на затворі VT6 відкриває цей транзистор. Від шини живлення на землю через відкриті VT6, VT4 тече струм, який на витоку VT3 відносно землі створює напругу, яка дорівнює залишковому падінню напруги на відкритому VT4 U_{зал VT4}, тому напруга між затвором і витоком транзистора VT3 задовольняє умові U_звVT3 = U_вх  U_{зал VT4} < U_{пор n-МОН} і цей транзистор залишається у закритому стані. Як наслідок після відкривання VT4 в точці А схеми, а тому і на виході тригера зберігається високий рівень напруги. Транзистор VT3 відкривається при вхідній напрузі U_вх  U_{зал VT4} = U_{пор n-МОН}. Тому при подальшому зростанні U_вх n-канальні транзистори VT3, VT4 знаходяться у відкритому стані, а p-канальні транзистори закриваються. Точка А схеми відключається від шини живлення і підключається до землі. На виході тригера Шмітта встановлюється низький рівень напруги U⁰. Таким чином, з урахуванням викладеного вище, значення порогової напруги U¹_пор для схеми тригера Шмітта (рис. 5.48а) дорівнює:

U¹_пор = U_{зал VT4} + U_{пор n-МОН}. (5.37)

Для визначення напруги U⁰_пор розглянемо процеси, які відбуваються у схемі (рис. 5.48а) при зменшенні вхідної напруги від рівня U_вх = U¹  U_сс. Передусім зазначимо, що при U_вх = U¹ транзистори VT3, VT4 відкриті, транзистори VT1, VT2 закриті і тому в точці А схеми і на її виході низький рівень напруги U⁰. Ця напруга закриває транзистор VT6 і він не впливає на роботу схеми. Рівень U⁰ на затворі VT5 сприяє створенню p-каналу в цьому транзисторі, але струм через нього не протікає оскільки закриті транзистори VT1, VT2. При зменшенні U_вх до значення, що задовольняє умові U_вх  U_сс = |U_{пор p-МОН}|, відкривається транзистор VT1, через який напруга живлення надходить на виток VT5. Транзистор VT5 відкривається оскільки U_звVT5 = U⁰  U_сс < |U_{пор p-МОН}| і від шини живлення через відкриті VT1, VT5 тече струм, що створює на витоку VT2 відносно землі падіння напруги, яке дорівнює залишковій напрузі на транзисторі VT5 U_{зал VT5}. При цьому напруга між затвором і стоком транзистора VT2 задовольняє умові U_звVT2 = U_вх  U_{зал VT5} > |U_{пор p-МОН}|, тому він залишається у закритому стані. Відкривання VT2 відбувається при вхідній напрузі, яка задовольняє умові U_вх  U_{зал VT5} = |U_{пор p-МОН}|. З цієї напруги починається перемикання тригера Шмітта у стан високого рівня вихідної напруги U¹, тому порогова напруга U⁰_пор дорівнює:

U⁰_пор = U_{зал VT5}  |U_{пор p-МОН}|. (5.38)

Із співвідношень (5.37) і (5.38) можна отримати наступне співвідношення для ширини петлі гістерезиса передаточної характеристики тригера Шмітта КМОНТЛ U_вх, схема якого наведена на рис. 5.48а:

U_вх = U¹_пор U⁰_пор =

= U_{зал VT4} U_{зал VT5}+U_{пор n-МОН}+|U_{пор p-МОН}|. (5.39)

Типові параметри інтегральних тригерів Шмітта на прикладі мікросхеми КР1564ТЛ2, гарантовані у температурному діапазоні від 40 до 85 ^оС, наведені у таблиці 5.2.

Тригер Шмітта можна реалізувати на основі логічних елементів і дискретних компонентів. Приклад такої реалізації наведено на рис. 5.49а. В цій схемі вхідна напруга в точці А утворюється дільником напруги на резисторах R1, R2 не тільки за рахунок вхідної напруги U_вх, але й за рахунок напруги на виході Q тригера. Тому у точці А напруга U_пор, при якій перемикається інвертор DD2, виникає при двох значеннях рівнів вихідної напруги U⁰ і U¹, а тому схема на рис. 5.49а має два пороги перемикання.

Визначімо вхідні напруги, які відповідають порогам перемикання. Зі схеми (рис. 5.49а) випливає, що напругу в точці А відносно землі визначає алгебраїчна сума напруг:

U_А = U_вх + U_R1, (5.40)

де U_R1 = IR1 (I  струм, який протікає через дільник напруги на резисторах R1, R2).

Таблиця 5.2

Параметри мікросхеми КР1564ТЛ2

Параметр	Значення параметра при напрузі живлення Uсс, В			Одиниця виміру
	2,0	4,5	6,0
Напруги перемикання: U^1пор U^0пор	1,0  1,5 0,3 – 1,0	2,0  3,15 0,9 – 2,2	3,0  4,2 1,2 – 3,0	В
Напруга гістерезису Uвх	0,2 – 1,0	0,4 – 1,4	0,5 – 1,5	В
Мінімальна напруга високого рівня на виході, U^1min:  струм 20 мкА  струм 5 мA	1,9 	4,4 3,84	5,9 5,34	В
Максимальна напруга низького рівня на виході, U^0max:  струм 20 мкА  струм 5 мA	0,1 	0,1 0,33	0,1 0,33	В
Максимальний вхідний струм			1,0	мкА
Струм споживання, Icc			20	мкА
tзп^1,0 (tPHL), tзп^0,1 (tPLH)	156	31	26	нс
tвм^1,0 (tTHL), tвим^0,1 (tTLH)	95	19	16	нс
Вхідна ємність	10			пФ

Струм дільника I найпростіше визначити для тригера реалізованого на інверторах КМОНТЛ, які мають зневажливо малий вхідний струм. В цьому випадку

I = (U_вих  U_вх)/(R1+R2) (5.41)

і напруга в точці А схеми визначається співвідношенням:

. (5.42)

З (5.42) випливає, що

. (5.43)

Напруги перемикання U¹_пор і U⁰_пор для тригера Шмітта (рис. 5.49а) можна визначити з (5.43), якщо в нього підставити U_A = U_пор, а для вихідної напруги U_вих, відповідно, значення U¹ і U⁰:

Рис. 5.49. Несиметричний тригер на двох

інверторах (а) і його умовне зображення

, (5.44)

. (5.45)

Зокрема, оскільки для КМОНТЛ U¹ = U_сс, U⁰ = 0 В, а U_пор = U¹/2 = U_сс/2 (див. підрозділ 4.4.2) з (5.44) і (5.45) випливає:

, (5.46)

. (5.47)

Ширина петлі гістерезиса U_вх передаточної характеристики з урахуванням (5.46) і (5.47) визначається співвідношенням:

U_вх = U⁰ – U¹ = U_cc(R1/R2). (5.48)

Формули (5.46) – (5.48) не підходять для розрахунку тригера Шмітта на логічних елементах ТТЛШ, оскільки не враховують вхідних струмів ЛЕ, які у випадку цього типу логіки мають суттєве значення для визначення електричного режиму вхідного кола схеми, показаної на рис. 5.49а.

При розрахунках параметрів тригера Шмітта, побудованого на мікросхемах логічних елементів КМОНТЛ і дискретних компонентах, звичайно приймають R1 = (1050) кОм, R2 = (0,11,0) МОм. Зазначимо також, що для несиметричного тригера на рис. 5.49а, на відміну від тригера, схема якого показана на рис. 5.48а, вихідним станом є стан низького рівня напруги U⁰, тобто такий тригер Шмітта має прямий вихід. Його умовне зображення показано на рис. 5.49б. Діоди VD1, VD2 в схемі тригера виконують функцію захисту входів інверторів, відповідно, від позитивної і негативної перенапруг.