ТРИГГЕР С ТРЕМЯ УСТОЙЧИВЫМИ СОСТОЯНИЯМИ И ОБЩИМ ВЫХОДОМ Российский патент 2000 года по МПК H03K3/29 

Изобретение относится к технике автоматического управления производственными процессами и может быть использовано при создании устройств импульсной техники в качестве переключающих, счетных, пороговых и запоминающих элементов, а также для хранения и обработки двоичной информации в цифровой технике.

Известны триггерные системы - электронные устройства, обладающие двумя состояниями устойчивого равновесия, способные длительно находиться в одном из них и чередовать их под воздействием внешних управляющих сигналов.

Триггерные системы весьма разнообразны, но различия связаны со схемами управления работой устройств, а собственно сам триггер, лежащий в основе системы, представляет собой обычный триггер RS, имеющий два входа и два выхода. Его простейший вариант - статический RS-триггер [1] выберем в качестве прототипа. Он представляет собой два параллельно соединенных транзисторных ключа, охваченных перекрестной положительной обратной связью так, что если один транзистор находится в проводящем состоянии и насыщен, второй транзистор обязательно закрыт. Такое состояние устанавливается под действием на входе триггера запускающих импульсов: если на одном из входов действует запускающий импульс, вызывающий появление на одном из выходов напряжение высокого уровня, то этот вход называют прямым, в отличие от обратного, запускающий импульс на котором вызывает появление напряжения высокого уровня на втором (инверсном) выходе. Появление напряжения высокого уровня на одном из выходов обязательно сопровождается исчезновением его на другом и поэтому значение напряжения на втором выходе не несет никакой новой информации. Поэтому обычно используется только один выход, напряжение на котором меняется в зависимости от того, на каком входе появляется запускающий импульс, от нуля до напряжения источника.

По окончании действия запускающего импульса триггер остается в том состоянии, которое вызвано запускающим импульсом. Эту способность сохранять полученную информацию называют памятью. Если одно состояние принять за 1, а другое за 0, то можно считать, что триггер хранит записанную в двоичном коде информацию.

Наличие двух раздельных входов и двух выходов осложняет электрическую схему триггерного устройства и затрудняет выполнение электрических связей с другими элементами устройства в целом. Но главный недостаток такого триггера заключается в том, что он не может находиться в нейтральном состоянии. В силу несимметрии, всегда имеющейся в схеме, триггер сразу после включения скатывается в одно из двух устойчивых состояний и выдает ложный сигнал на выходе без воздействия запускающего импульса. Наконец, входы и выходы гальванически связаны между собой и возможно возникновение электрической связи между ними.

Цель изобретения заключается в создании триггера, обладающего тремя устойчивыми состояниями и способного чередовать эти состояния под воздействием нулевого напряжения, запускающих импульсов противоположной полярности, поступающих на один вход так, что нулевое напряжение возвращает триггер в исходное состояние с выходным напряжением, равным нулю, а запускающие импульсы противоположной полярности вызывают появление на том же выходе напряжения также противоположной полярности.

Триггер такого типа не дает ложной информации при включении, позволяет снять устаревшую информацию, фиксирует не только факт появления сигнала на входе, но и его признак, например, знак (+) или (-).

Принципиальная электрическая схема триггера показана на фиг. 1.

Триггер образован двумя параллельными основными ветвями ab и cd, каждая из которых представляет транзисторный ключ и содержит транзистор и коллекторный резистор T₁R_к1 и T₂R_к2. Ветви питаются от двух последовательно включенных источников напряжения E, имеющих заземленную общую точку O.

Транзисторы основных ветвей имеют разный тип проводимости p-n-p и n-p-n. Их коллекторы соединены и образуют общий выход устройства.

Параллельно основным ветвям включена добавочная ветвь положительной обратной связи MN. Она представляет собой два последовательно включенных усилителя на транзисторах T₃ и T₄ разного типа проводимости. Эмиттеры усилителей соединены между собой и заземлены через сопротивление R, базы соединены между собой и общей точкой коллекторов транзисторов основных ветвей. Коллекторные нагрузки усилителей образованы двумя последовательно соединенными резисторами R'₃R''₃ и R'₄R''₄. Их общая точка соединена с базой того транзистора основной цепи, который имеет противоположный тип проводимости по отношению к проводимости транзистора, образующего усилитель.

Для описания работы предлагаемого устройства воспользуемся его упрощенной схемой (фиг. 2). В отличие от принципиальной схемы (фиг. 1) она содержит только основные ветви, представляющие собой два параллельных транзисторных ключа с соединенными в точке O' коллекторами транзисторов T₁ и T₂. Для простоты будем считать, что характеристики транзисторов T₁ и T₂ идентичны и отличаются только направлениями тока и напряжения.

В симметричной системе, имеющей R_к1= R_к2, при равновесии I_к1=I_к2; U_к1= U_к2 и потенциал в точке О равен нулю, и выходное напряжение
Транзисторные ключи принято рассматривать используя их нагрузочные прямые. Они представляют собой зависимость тока от напряжения при выбранных значениях напряжения источника питания и сопротивления коллекторного резистора [2], изображенную на поле статических характеристик транзистора. На фиг. За показана нагрузочная прямая для транзистора n-p-n, включенного как показано на фиг. 3в.

Нагрузочная прямая транзистора p-n-p отличается только направлением токов и напряжений. Она показана на фиг.Зв.

Для рассматриваемого случая, когда питание ключей осуществляется от двух последовательно соединенных источников напряжения E с заземленной общей точкой, нагрузочные прямые получаются путем сдвига нагрузочных прямых на величину Е на оси напряжений и величину E/2R по токовой оси, как показано на фиг. 3с и 3d.

Нагрузочная прямая всего устройства получается в результате объединения нагрузочных прямых основных ветвей. Нагрузочные прямые ветвей ab и cd совпадают и образуют единую нагрузочную прямую, показанную на фиг.4. В каждый момент состояние устройства соответствует точке, лежащей на нагрузочной прямой. Эта точка в зависимости от напряжения на базах транзисторов передвигается на участке между точками B и C. Например, точка A соответствует равновесию, напряжение в точке O' и ток равны нулю.

В крайних точках B и C один транзистор находится в состоянии насыщения, другой в состоянии отсечки тока. Например, в точке B транзистор T₁ проводит ток и насыщен, а T₂ закрыт. В точке C насыщен T₂, a T₁ находится в состоянии отсечки.

Все точки на нагрузочной прямой BC являются неустойчивыми и если под действием кратковременного запускающего импульса на базе одного из транзисторов устройство оказывается в состоянии одной из таких точек, после прекращения действия импульса состояние меняется.

Для фиксирования состояния в точках B и C служит ветвь положительной обратной связи MN.

Если, например, под действием запускающего импульса схема оказалась в точке B, где транзистор T₁ насыщен, а транзистор T₂ заперт, напряжение в точке O' превышает ноль, а на базах транзисторов T₃ и T₄ соединены вместе, появляется положительное напряжение. Оно открывает транзистор T₃ и по его коллекторному резистору R₃ = R'₃ + R''₃ протекает ток, создавая на R'₃ напряжение насыщения на базе T₁. Это напряжение существует как угодно долго, поскольку в результате положительной обратной связи транзистор T₃ открыт за счет падения напряжения на R_к1, а ток через резистор R_к1 обеспечивается напряжением на R'₃.

Транзистор T₂, так же как транзистор T₄, во время работы транзисторов T₁ и T₃ находится в состоянии отсечки. Эмиттеры транзисторов T₃ и T₄ соединены с землей через резистор R, сопротивление которого составляет величину порядка сотни ом. Он стабилизирует состояние, делая его более устойчивым, и ограничивает напряжение на базах T₃ и T₄, которое равно B состоянии равновесия ток через резистор R не протекает и эмиттеры T₃T₄ имеют потенциал Земли.

Для перевода устройства в противоположное состояние, в точку C, необходимо на вход подать запускающий импульс отрицательной полярности. Он запирает транзистор T₃ и одновременно открывает транзисторы T₄ и T₂. Процесс идет в обратной последовательности.

В состоянии, соответствующем точке B, выходное напряжение U_вых = U_OO' положительно и амплитуда его почти достигает (+ E), для точки C это напряжение близко к (-E).

Запуск триггера и его опрокидывание могут осуществляться путем подачи запускающих импульсов на соединенные базы транзисторов T₃ и T₄ или подачи их непосредственно на базы транзисторов T₁ и T₂. Второй вариант осуществляет раздельный запуск, при котором связь между входом и выходом отсутствует.

При включении питания напряжение на выходе триггера U_OO' устанавливается равным нулю и это состояние равновесия устойчиво. Оно сохраняется до прихода в точку O' запускающего импульса. Положительный запускающий импульс вызывает появление тока в коллекторной цепи транзистора T₃. Протекание этого тока по коллекторному резистору R'₃ создает на нем напряжение, поступающее на базу T₁ и открывающее его. Возникающий ток транзистора T₁ создает в результате падение напряжения на R_к1. Это напряжение U_OO' и является выходным.

Отрицательный запускающий импульс вызывает появление выходного напряжения противоположного знака. Если при наличии выходного напряжения точку O' заземлить, ток в транзисторах T₃ и T₄ прекратится, транзисторы T₁ и T₂ станут также непроводящими и схема возвратится в исходное состояние.

Триггер может быть использован и в устройствах троичной системы счисления, но общая точка источников O должна быть изолирована от Земли всего устройства в целом.

Источники информации
1. Зельдин Б.А. Триггеры. - М.: Энергоатомиздат, 1983, стр. 6, рис. 2а.

2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М. : Энергия, 1977, стр.460.

Изобретение относится к области электронной импульсной техники и может быть использовано при создании переключающих, счетных, пороговых и запоминающих устройств для систем автоматики, а также для хранения и обработки двоичной и троичной информации в цифровой технике. Запускающие импульсы на входе вызывают появление на общем выходе напряжения, полярность которого определяется полярностью запускающего импульса, а нулевое напряжение, появляющееся на входе, прерывает импульс на выходе и возвращает триггер в исходное состояние с выходным напряжением, равным нулю. Триггер образован двумя параллельно включенными транзисторными ключами. Транзисторы (Т) (1,2) ключей имеют разный тип проводимости, а их коллекторы объединены и образуют общий выход по отношению к заземленной точке двух источников питания, соединенных последовательно. После окончания действия запускающего импульса выходное напряжение сохраняется в результате действия цепи положительной обратной связи, включенной параллельно ключам. Она представляет два усилителя, имеющих Т(3), Т(4) противоположного типа проводимости, соединенных последовательно, а их соединенные вместе эмиттеры заземлены через небольшое общее сопротивление. Технический результат: исключение ложной информации при включении, фиксирование не только факта появления сигнала на входе, но и знак (+) или знак (-). 5 ил.

Триггер с тремя устойчивыми состояниями и общим выходом, образованный двумя параллельными основными ветвями, каждая из которых представляет собой транзисторный ключ и содержит транзистор с коллекторным резистором, питающимися от двух последовательно соединенных источников напряжения, общая точка которых заземлена, отличающийся тем, что в основных ветвях использованы транзисторы с разным типом проводимости, коллекторы которых соединены и образуют общий выход триггера по отношению к земле, параллельно основным ветвям включена ветвь положительной обратной связи, представляющая собой два последовательно включенных усилителя на транзисторах разного типа проводимости, эмиттеры которых соединены между собой и заземлены через резистор, базы соединены между собой и общей точкой коллекторов транзисторов основных ветвей, их коллекторные нагрузки образованы двумя последовательно соединенными резисторами каждая, а общая точка резисторов соединена с базой того транзистора основных ветвей, который имеет противоположный тип проводимости по сравнению с проводимостью транзистора усилителя.