Импульсные устройства. Электронные триггеры

4.Электронные триггеры

4.1.  Общие сведения о триггерах

Триггерами называют электронные устройства, обладающие свойством памяти. Память  технического элемента проявляется в том, что  его состояние, вызванное  внешним  воздействием, сохраняется и после прекращения воздействия. Устройства памяти могут реализовываться на различных физических принципах: с использованием механических, гидравлических, магнитных и др. систем. Электронные триггеры в большинстве случаев  используют транзисторные схемы, хотя для получения напряжений в несколько сот вольт имеются традиционные решения на электровакуумных приборах.

Электронные триггеры (англ. Trigger, Flip-Flop) представляют собой элементарные ячейки памяти, которые  могут находиться в двух состояниях, сопоставляемых с логическими  нулём и единицей. Реализация устройств цифровой памяти с большим объёмом требует использования большего числа триггеров.

В функциональном отношении электронные триггеры делятся на два класса по виду используемого управляющего воздействия. В триггерах с одним входом  управляющее воздействие подаётся в общую точку схемы и переводит триггер в требуемое состояние. При  снятии воздействия триггер остаётся в этом состоянии по присущему ему свойству памяти. При повторном воздействии такого же вида состояние триггера не изменяется. Для перевода триггера в противоположное цифровое состояние требуется использование управляющего воздействия другого вида (амплитуды, полярности), что и запоминается в триггере.

В триггерах с двумя входами переключение возможно при управляющих сигналах одинакового вида, подаваемых поочерёдно, но в различные точки схемы.

Отмеченное различие двух типов управления весьма существенно при анализе функционирования триггерных схем.

4.2. Элементарная бистабильная ячейка.

Для реализации функции памяти требуется, чтобы при переключении схемы создавалась внутренняя  переменная, которая подтверждала бы действие переключающего воздействия после его прекращения. В электронном ключе такого свойства нет: после прекращения входного воздействия, обеспечивавшего, например,  состояние насыщения, транзистор вновь переходит в предыдущее состояние.

Для построения схемы с памятью используют последовательное соединение двух ключевых каскадов,  как показано на рис.4.1. При нулевом входном токе   транзистор  закрыт, а   насыщен током через резистор. При подаче, например,  на базу  достаточного входного  тока   транзистор  переходит в насыщение, тогда  закрывается и на его коллекторе образуется напряжение . Если после этого на рис.4.1 замкнуть цепь обратной связи, то при выключении  схема сохранит новое установленное состояние, поскольку  будет насыщен током от источника  через. Таким образом схема рис.4.1 реализует функцию памяти при замкнутой петле обратной связи, т.е. является триггером (бистабильной ячейкой).  В то же время переключение  схемы из одного состояния в другое предполагает перевод обоих транзисторов в активный (усилительный) режим. Тогда схема рис.4.1 превращается в двухкаскадный усилитель с коэффициентом усиления , охваченный обратной связью. Обратная связь на рис.4.1 является положительной, поскольку её действие подтверждает переключающее воздействие, а глубина обратной связи при непосредственном соединении выхода и входа . Как было показано при анализе (2.34) и рис.2.15,  такая система является неустойчивой.  Следовательно, описание бистабильной ячейки, как и любого триггера, требует рассмотрения двух различных  режимов: режима хранения при ключевых состояниях транзисторов и линейного режима усилителя с положительной обратной связью при переключениях. Ниже будет проведен  такой анализ. 

Рис. 4.1

4.3. RS – триггер на логических элементах  ИЛИ – НЕ

Удобный способ включения генераторов переключающих сигналов в схему бистабильной ячейки состоит в использовании двухвходовых логических элементов  ИЛИ–НЕ. В схеме рис.4.2 обратная связь транзисторов  и , придающая свойство памяти бистабильной ячейке (рис.4.1),  замкнута постоянно. Поэтому статические состояния двух выходов схемы рис.4.2  инверсны. Обозначая ,  для другого выхода триггера следует положить: . 

Рис. 4.2

Анализ схемы триггера как устройства с памятью начинают с предположения  о его состоянии в отсутствие управляющих воздействий. Для триггера рис.4.2 это означает нулевые значения  и , обеспечивающие закрытое состояние   и . В этих условиях анализ триггера начинается с предположения, например,   .   Тогда  должен быть закрыт и на его коллекторе должно быть напряжение уровня логической единицы. Ток от  коллектора  протекает в базу  и должен быть достаточным для его насыщения. Если   насыщен,  напряжение на его коллекторе   имеет уровень логического нуля , которое, будучи приложено через  к базе , обеспечит его отсечку. В результате подтверждается справедливость использованного предварительного предположения.

Все перечисленные условия подробно рассмотрены при анализе транзисторных ключей и ИЛС. Для тока коллекторной цепи  закрытого транзистора легко записать: