Текст книги "Посвящение в радиоэлектронику"

Автор книги: Владимир Поляков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 26 страниц)

Усиление звуковых колебаний.

Как измерить температуру мышонка?

В описанных случаях нужны два принципиально разных усилителя. Звуковой сигнал – быстро изменяющийся процесс, состоящий только из колебаний. Ведь не требуется передавать значение атмосферного давления – надо преобразовать в электрическую форму и усилить лишь изменения давления. Соответственно и усилитель должен быть усилителем переменного тока. Диапазон усиливаемых им частот соответствует звуковому диапазону, и у хороших моделей он составляет 20 Гц… 20 кГц. Иная ситуация возникает при усилении сигнала термодатчика. Если мышонка не дразнить и не пугать, его температура останется неизменной. Постоянной будет и термоЭДС датчика. Следовательно, здесь нужен усилитель постоянного тока, усиливающий не только изменения, но и так называемую постоянную составляющую подводимого к его входу сигнала.

Усилители переменного тока, как правило, проще, надежнее и стабильнее усилителей постоянного тока. Как включить транзистор, чтобы он работал как усилитель, мы уже знаем. Для увеличения коэффициента усиления соединяют последовательно несколько каскадов, как показано на рисунке.

Двухкаскадный усилитель переменного тока.

Каждый каскад такого усилителя содержит транзистор, два резистора и разделительный конденсатор. Первый резистор R_б1, создает некоторый начальный ток базы, который называют током смещения. Транзистор этим током «выводится» на линейный участок характеристики и становится способным усиливать как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. Слова «линейный участок характеристики» имеют следующий смысл: выходной сигнал усилительного каскада пропорционален входному, что и требуется для усиления без искажений.

Ток коллектора, проходя через резистор нагрузки R_н1, создает на нем некоторое падение напряжения, которое изменяется в такт с изменениями входного сигнала. Обычно режим работы транзистора (т. е. токи электродов) подбирают таким, чтобы на резисторе нагрузки выделялось постоянное напряжение, равное половине напряжения питания. Тогда ток через транзистор может изменяться (при изменениях входного сигнала) от нуля до удвоенного значения при отсутствии тока сигнала. При этом амплитуда снимаемого с нагрузки сигнала может достигать половины напряжения питания.

Существует много разновидностей усилителей переменного тока. Для увеличения размаха и мощности выходного сигнала резистор нагрузки усилительного каскада иногда заменяют трансформатором. Сопротивление его обмотки для постоянного тока мало, и на коллектор транзистора поступает практически полное напряжение источника питания. А для переменного тока индуктивное сопротивление трансформатора велико, в результате и усиление получается значительным. Часто используют двухтактные усилители мощности. В них положительная полуволна входного сигнала усиливается одним транзистором, а отрицательная – другим. В результате возрастают КПД и выходная мощность усилителя.

Но давайте вернемся к усилителям постоянного тока. Проектирование их всегда было большой проблемой. Часто предпочитали даже такой сложный путь: преобразовывали входной сигнал постоянного тока в переменный, усиливали получившийся переменный ток и затем снова выпрямляли (детектировали). Положение изменилось после разработки транзисторов с различными типами проводимости. Мы до сих пор рассматривали только транзистор структуры n-р-n. Опирающее напряжение на его базе должно быть положительным. Напряжение такой же полярности надо подавать и на коллектор. Но бывают транзисторы и р-n-р типа, требующие напряжений другой полярности. Более того, они были и разработаны первыми и многие годы применялись почти исключительно во всех электронных устройствах. Кристаллы для этих транзисторов изготавливались из германия. В последние годы германиевые транзисторы практически полностью вытеснены кремниевыми, имеющими лучшие параметры и лучшую температурную стабильность. К тому же сырье для германиевых транзисторов дорого и его не хватает. Сейчас, вводя различные примеси, делают кремниевые транзисторы любого типа проводимости.

Пару транзисторов с различными типами проводимости, но примерно с одинаковыми параметрами (мощностью, коэффициентом передачи тока) называют комплементарной парой. Эта «дружная» пара открыла новые возможности для создания эффективных усилителей с высоким КПД. Вот, например, как выглядит простейший усилитель мощности на комплементарной паре транзисторов.

Комплементарная пара и усилитель па комплементарных транзисторах.

Для него нужны два источника питания с одинаковыми напряжениями, но различными полярностями +E_пит и – E_пит. Это недостаток, но он с лихвой окупается многими достоинствами усилителя. На вход можно подавать сигнал как положительной, так и отрицательной полярности. В первом случае открывается верхний, n-р-n транзистор, и в нагрузку R_н течет ток положительной полярности.

Во втором – отпирается нижний, р-n-р транзистор, и в нагрузку течет ток отрицательной полярности. Если же входной сигнал отсутствует, то оба транзистора закрыты и от источников питания не потребляется почти никакой мощности. Этим и объясняется высокий КПД усилителя. Напряжение сигнала описываемый усилитель не увеличивает. Действительно, при усилении положительной полуволны входного сигнала транзистор V1 должен быть от крыт, т. е. напряжение между его базой и эмиттером U_БЭ = U_вх – U_вых должно быть положительным. А это значит, что выходное напряжение U_вых, будет меньше входного U_вх. То же самое произойдет и при усилении отрицательной полуволны сигнала, когда откроется транзистор V2, только знаки напряжений изменятся на обратные. Коэффициент передачи усилителя по напряжению составляет в зависимости от типов транзисторов, напряжения питания и сопротивления нагрузки 0.8…0,99, т. е. немного меньше единицы. Зато ток в нагрузке, а следовательно, и мощность могут быть намного больше, чем ток и мощность сигнала, действующего на входе усилителя. Чтобы подчеркнуть тот факт, что выходное напряжение примерно повторяет входное, часто такой каскад называют комплементарным (составным) эмиттерным повторителем.

Проблему усиления мощности, т. е. вопрос проектирования выходного каскада усилителя постоянного тока, мы решили. Но надо ведь усиливать и напряжение. Обычный, уже разобранный нами усилительный каскад на одном транзисторе здесь малопригоден, поскольку на его коллекторной нагрузке выделяется большое постоянное напряжение, не зависящее от сигнала. Его надо как-то компенсировать, да к тому же оно изменяется при колебаниях напряжения питания, изменениях тока транзистора из-за нагрева и многих других факторов. На выручку приходит дифференциальная схема включения двух транзисторов, показанная на рисунке.

Дифференциальный транзисторный каскад и мальчики, образовавшие «дифференциальную» пару.

Когда двое ребят качаются на доске-качелях, их движения взаимосвязаны; если один опускается вниз, другой летит вверх. Дифференциальный каскад действует подобным же образом. Если на базу одного транзистора подан открывающий положительный потенциал, ток через этот транзистор возрастает. Возрастает и падение напряжения на общем эмиттерном сопротивлении R_э, следовательно, потенциал эмиттеров обоих транзисторов тоже повышается. Но потенциал базы второго транзистора остался неизменным, значит, второй транзистор будет закрываться. Сумма коллекторных токов обоих транзисторов остается неизменной, но сами токи могут изменяться (один уменьшаться, другой увеличиваться), как и высота подъема ребят на качелях. У дифференциального каскада два входа, причем реагирует он на разность потенциалов между входами. Синфазные же изменения входных напряжений, также как и напряжений питания, уже значительно меньше влияют на работу каскада. Выходной сигнал снимают с обоих выходов или же с любого из них. Дифференциальные каскады с эмиттерной связью очень широко применяются в электронной технике.

К сожалению, в одной книге нет возможности рассмотреть громадное многообразие схемотехнических решений, используемых в современной электронике. Читатели, интересующиеся вопросами построения транзисторных схем, когда потребуется, могут обратиться к специальной литературе, которая, во всяком случае в библиотеках, имеется в избытке. А пока пойдем дальше. Выше мы без тени сомнений использовали по два транзистора в устройствах, где, казалось бы, можно обойтись и одним. Двадцать лет назад применение двух ламп вместо одной было целым событием. С появлением полупроводниковой технологии положение совершенно изменилось. Все реже транзисторы и другие детали электронных схем можно увидеть в виде отдельных, как говорят, дискретных элементов. Дело в том, что сейчас уже всю схему усилителя можно выполнить на одном кристалле полупроводника! Вот как это делается.

Интегральная технология

На одном кристалле чистого полупроводника можно изготовить много транзисторов. И они не будут «мешать» друг другу или взаимодействовать между собой, ведь чистый полупроводник плохо проводит электрический ток. Добавляя в нужных местах микроскопические капельки примесей, можно получать транзисторы с их эмиттерными и коллекторными переходами. Для нужной схемы транзисторы надо соответствующим образом соединить друг с другом. Напылим между нужными точками микроскопические дорожки из металла, и соединительные проводники готовы! Если в соединительный проводник вмонтирован резистор, напылим металла поменьше, слой будет тоньше, чтобы сопротивление проводника равнялось требуемому. Или в разрыв соединительного проводника введем капельку примеси, чтобы сопротивление полупроводника в этом месте достигло нужной величины. Так формируется резистор.

Труднее обстоит дело с конденсаторами. Способами полупроводниковой интегральной технологии они не изготавливаются, поэтому часто используют гибридную технологию, напыляя или прикрепляя другим способом микроскопические керамические конденсаторы в нужных местах микросхемы. Все это, конечно, легко сказать, но нелегко сделать. Ушли годы напряженной конструкторской и изобретательской работы, прежде чем появились первые интегральные микросхемы. Разумеется, их невозможно изготовить вручную. Отполированный кристаллик кремния размерами, скажем, 1,5 х 1,5 мм закрепляется на координатном столике фотолитографической установки. На поверхность кристалла уже нанесен слой специального вещества – фоторезиста. Изображение деталей или проводников мощным объективом проецируется на кристалл, включается кварцевая лампа – происходит экспонирование. Затем неэкспонированные места вытравливаются кислотами – образуется рельефный рисунок будущей микросхемы.

Вводятся примеси. Способов много – например, ионная имплантация. В вакуумной камере мощная «пушка» излучает поток ионизированных атомов примеси. Лучик их очень узок, измеряется микрометрами. Длительность экспонирования определяет количество введенной примеси. Или, например, диффузионный способ. На кристалл наносят строго дозированные микроскопические капельки примеси, и затем кристалл нагревается в электроиндукционной печи и расплав примеси диффундирует в толщу полупроводника на строго заданную глубину. Есть множество хитроумных и сложных технологических процессов, в результате которых и получается современная интегральная микросхема. Производство их сложно, но уж если поточная линия и все технологические процессы отлажены, микросхемы можно «штамповать» десятками тысяч, и все затраты с лихвой окупаются. Разработана так называемая групповая технология, с помощью которой на одной кремниевой пластине сразу изготавливают сотни микросхем.

На рисунке показаны, как говорится, «год нынешний» и «год минувший». Одинаковые металлические корпусы диаметром 10 и высотой 8 мм. Различить детали внешне можно только по числу выводов и по маркировке на корпусе. Слева транзистор МП26 выпуска 1971 года. У него всего три вывода. Он может усилить сигнал в 30 раз, можно на нем построить генератор. Правда, в обоих случаях надо еще десяток внешних элементов, главным образом резисторов. Значит так: нужно разработать и изготовить печатную плату, сделать монтаж, наладить изготовленное устройство. И места оно займет порядочно…

Справа интегральный операционный усилитель К140УД8А выпуска 1982 года. Восемь выводов. Коэффициент усиления 50 000. Вход практически не шунтирует источник сигнала – входное сопротивление более 1000 МОм (миллионов ом!). Выход, правда, маломощный (допустимое сопротивление нагрузки 2 кОм), зато и потребляемый от источников питания ток составляет всего 3 мА. Заметен прогресс? То ли еще будет, когда мы обратимся к цифровой технике. А пока подробнее об этом и подобных ему усилителях.

От биполярного транзистора к операционному усилителю.

Операционный усилитель

Операционный усилитель один из самых главных «кирпичиков» современной аналоговой электроники. Он спроектирован так, чтобы удовлетворить самым взыскательным требованиям разработчиков электронной техники. Вот его обозначение:

Операционный усилитель.

У операционного усилителя два входа: неинвертирующий, обозначенный «+», и инвертирующий, обозначенный «—». Если на неинвертирующий вход подать положительный потенциал, то потенциал на выходе возрастет. Но если положительный потенциал подать на инвертирующий вход, потенциал на выходе уменьшится.

А если одинаковый потенциал подать сразу на оба входа? Потенциал выхода не изменится. Как и полагается усилителю с дифференциальным входом, операционный усилитель реагирует только на разность потенциалов между входами и хорошо подавляет одинаковые сигналы на входах или, как говорят специалисты, синфазную составляющую входного сигнала.

При интегральной технологии нет нужды экономить на транзисторах. Если уж процесс изготовления отработан, то практически не имеет значения, сколько транзисторов расположено на пластинке полупроводника. Интегральная микросхема изготавливается с помощью станков-автоматов в едином технологическом процессе. Размеры самих транзисторов составляют микрометры, а размер кристалла – миллиметры. Поэтому и десять тысяч транзисторов для одной микросхемы – не предел. Это принесло большую пользу инженерам-проектировщикам микросхем и позволило воплотить в жизнь множество интересных и полезных схемотехнических решений. Например, при нагреве параметры одного транзистора изменяются, и его коллекторный ток возрастает. Значит, при нагреве надо уменьшить напряжение смещения транзистора. Это делает другой транзистор, включенный в цепь смещения. Более того, включим пару транзисторов по дифференциальной схеме. Тогда, несмотря на то, что ток обоих транзисторов при нагреве возрастает, разность токов, которая и определяет полезный выходной сигнал, практически не меняется. Благодаря этому операционный усилитель оказывается термостабильным. Температурный «дрейф» его не превосходит нескольких десятков микровольт на градус, тогда как у усилителя на дискретных элементах он в десятки раз больше. Хотя термостабильность и достигается ценой применения в микросхеме десятков транзисторов, при интегральной технологии это никого не волнует.

А вот начертить внутреннюю принципиальную схему современного интегрального усилителя оказывается непросто – по сложности она приближается к схеме, скажем, обычного телевизора! Но теперь уже нет необходимости интересоваться внутренним устройством усилителя – вполне достаточно знать его внешние параметры. А на схемах усилитель изображают просто треугольником, особо не задумываясь над тем, что у него внутри!

Рассмотрим на простых примерах, как можно использовать высокие собственные параметры операционных усилителей. Пример первый: нужно усилить напряжение звуковой частоты. Ранее мы научились строить усилители мощности на комплементарных транзисторах, а усилитель напряжения оставили «на потом». Сейчас это «потом» наступило, и вот перед вами простейшая схема усилителя напряжения. Источником сигнала служит микрофон, подключенный к неинвертирующему входу. Источниками могут быть и термопара, и детектор радиоприемника, и многое другое. Цепочка из двух резисторов R₁ и R₂ образует цепь обратной связи. Зачем она нужна?

Польза от нее огромная. Собственный коэффициент усиления операционного усилителя очень велик, что на практике никогда не нужно. Но он позволяет ввести глубокую отрицательную обратную связь, а она резко снижает искажения усилителя и выравнивает его частотную характеристику. В результате усилитель вносит пренебрежимо малые искажения в очень широкой полосе частот, что как нельзя лучше соответствует современным требованиям к усилителям. Посмотрим на схему.

Усилитель звуковых частот.

Малейшая разность потенциалов между входами изменяет потенциал выхода. Последний передается снова на инвертирующий вход через делитель напряжения R₁R₂. Пусть, например, входной потенциал на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем. Потенциал выхода немедленно увеличится и повысит через делитель потенциал инвертирующего входа. Если же на инвертирующем входе потенциал возрастет, то потенциал выхода уменьшится. Значит, напряжение на инвертирующем входе почти точно соответствует входному, а выходное напряжение в R₂/R₁ раз больше. Что же получилось? Коэффициент усиления приведенного усилителя определяется только отношением сопротивлений двух резисторов и не зависит от свойств самого операционного усилителя. Лишь бы он был близок к «идеальному», т. е. обладал как можно большим усилением. Следовательно, коэффициент усиления при наличии обратной связи очень стабилен и не подвержен изменениям при нагреве, колебаниях питающих напряжений и воздействии подобных факторов.

На операционном усилителе можно выполнить (или, как говорят, «собрать») много других устройств: генераторы напряжений прямоугольной или треугольной формы, интегратор, дифференциатор, сумматор сигналов и т. д.

Посмотрите, например, на схему сумматора.

Сумматор.

Все входы через одинаковые резисторы R присоединены к инвертирующему входу операционного усилителя. Сюда же подан сигнал обратной связи через резистор с сопротивлением KR. Значит, это устройство не только суммирует сигналы, но и усиливает их по напряжению в К раз. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим проводом или, как говорят, он «заземлен».

Но вернемся ко входам усилителя. Если на заземленном неинвертирующем входе нет сигнала, то его практически не будет и на инвертирующем. Куда он исчезнет? Скомпенсируется сигналом обратной связи. Например, напряжение сигнала в 1 мВ на любом из входов 1–3 вызовет появление напряжения К мВ на выходе. А на инвертирующем входе усилителя произойдет почти полная взаимная компенсация этих напряжений. Мы говорим «почти», имея в виду тот факт, что собственный коэффициент усиления операционного усилителя все-таки не бесконечен. Инвертирующий вход усилителя в этой схеме часто называют виртуальной или искусственной «землей», подчеркивая отсутствие на нем напряжения сигнала. Но если так, то источники сигнала оказываются независимыми и не мешают друг другу – сигнал одного источника никогда не попадет в другой. Получается полная «развязка» источников.

Еще одно применение операционного усилителя в качестве компаратора, т. е. устройства для сравнения между собой двух различных величин, например напряжений. Пусть одно из этих напряжений подается на один вход усилителя, второе – на другой.

Компаратор.

В этом устройстве нет отрицательной обратной связи и высокий собственный коэффициент усиления используется полностью. Если напряжение U₁ хотя бы немного (на несколько микровольт) больше напряжения U₂, то потенциал на выходе устройства принимает максимально возможное значение, несколько меньшее напряжения питания. В этом случае говорят, что усилитель «вошел в насыщение». Если же напряжение U₁, меньше U₂, то потенциал на выходе принимает такое же, но отрицательное значение. Следовательно, компаратор имеет «релейную» характеристику и выдаст на выходе только два дискретных значения. Их можно назвать единица (1) и нуль (0) как это принято в цифровой технике. Да и сам компаратор чаще всего используют в устройствах для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, сокращенно АЦП, что означает аналого-цифровой преобразователь. Ну а раз уж мы заговорили о цифровой технике, то следует рассказать о ней подробнее. Многие другие аналоговые устройства: преобразователи частоты, модуляторы, детекторы, генераторы и т. д. мы разберем на конкретных примерах в следующих главах. Итак…

Цифровые интегральные микросхемы

Все мы, часто не осознавая, стремимся в жизни к твердости, определенности и уверенности. Ваш «Да», так да, «Нет» – так нет. И в цифровой электронной технике разработчик и пользователь должны быть уверены: если устройство выдаст на выходе «единицу», так это – единица, а не что-нибудь другое. Обычно 1 соответствует высокий уровень выходного напряжения, а 0 – низкий. Логические уровни 1 и 0 практически не должны зависеть от того, подключаем мы на выход устройства какую-нибудь нагрузку или нет. Отсюда следует, что одним из основных «кирпичиков» цифровой электроники должен быть усилитель, твердо устанавливающий на выходе значения логических уровней. Очень часто в цифровом сигнале бывает необходимо поменять значения уровней между собой, т. е. иметь на выходе 0, если на входе 1, и наоборот. Всеми этими свойствами обладает инвертор, на схеме условно обозначаемый прямоугольником, а кружок у выходного проводника означает инвертирование сигнала.

Инвертор.

Слово «усилитель» мы не зря поставили в кавычки, ведь усиления напряжения сигнала в цифровых микросхемах не происходит. Более того, все микросхемы одной серии проектируют с одним и тем же напряжением питания и одинаковыми логическими уровнями. Но выходной ток логического элемента, например инвертора, может быть значительно больше входного. В справочниках указывается коэффициент разветвления по выходу, показывающий, сколько входов других элементов можно подсоединить к выходу данного элемента без нарушения работоспособности. Обычно он бывает около десяти.

Два инвертора, соединенные последовательно, точно повторяют цифровой входной сигнал. Они могут служить, например, регенератором телеграфного сигнала, искаженного помехами. Обратите внимание, насколько регенератор на логических элементах проще и надежнее электромеханического реле! Ну а что касается быстродействия, то тут и сравнивать нельзя. Если хорошее малоинерционное реле может переключаться 100, ну от силы 300 раз в секунду, то полупроводниковый инвертор способен переключаться десятки, а если он построен на особо быстродействующих микросхемах, то и сотни миллионов раз в секунду! Он способен обрабатывать сигналы с полосой до сотен мегагерц, т. е. передаваемые со скоростью сотни мегабит в секунду!

Регенератор цифрового сигнала.

Значительно большими логическими возможностями обладает двухвходовый инвертор, или элемент 2И-НЕ. Прежде чем описывать его работу, давайте рассмотрим устройство этого элемента, выбрав один из самых распространенных – К155ЛАЗ. Снаружи – это стандартный пластмассовый корпусе с 14 выводами и с габаритными размерами 10 х 20 х 4 мм. Один вывод соединяется с общим проводом («массой», «землей»), на другой – подается напряжение питания + 5 В. Остальные выводы – входы и выходы элементов. Всего в корпусе их четыре. Схема одного из элементов показана на рисунке.

Элемент 2И-НЕ.

Сразу бросается в глаза необычный вид первого транзистора – у него два эмиттера, соединенные с двумя входами. Ничего удивительного, просто это – транзистор с двумя независимыми эмиттерами. Их может быть и больше. Например в элементе К155ЛА2 восемь входов и соответственно восемь эмиттеров у первого транзистора. Если хотя бы на один эмиттер подан низкий потенциал (логический 0) или просто вход соединен с общим проводом, через эмиттерный переход пойдет ток, и первый транзистор V₁ откроется, закрыв второй транзистор V₂. При этом на базу транзистора V₃ будет подан ток, проходящий через резистор коллекторной нагрузки транзистора V₂. Транзистор V_З откроется. В это время V₄ будет закрыт, поскольку ток базы у него отсутствует. На выходе элемента окажется высокий уровень напряжения (логическая 1). Если же на всех входах будет высокий уровень напряжения, транзистор V₂ откроется, открывая и V₄, a V₃ будет закрыт из-за большого падения напряжения на коллекторной нагрузке транзистора V₂. На выходе элемента будет низкий уровень напряжения (логический 0).

Сейчас уже редко пользуются принципиальными схемами микросхемы. Предпочитают нарисовать прямоугольник – условное обозначение элемента, а рядом – таблицу его состояний в зависимости от уровней напряжений на входах. Обратите внимание на значок в левом верхнем углу. Он означает, что элемент работает именно так, как указано в таблице. Элементы, действующие в соответствии с другой таблицей состояний, обозначаются и другими значками.

Какие устройства можно выполнить на двухвходовом элементе &(2И-НЕ)?

Великое множество. Например, выключатель сигнала.

Коммутатор цифрового сигнала на двухвходовом элементе 2И-НЕ.

Пусть на один вход поступает цифровой сигнал. Если на другой вход подать логическую 1, то на выходе выделится инвертированный сигнал. А если на другой (управляющий) вход подать 0? На выходе будет 1, и цифровой сигнал через инвертор не пройдет.

Другой интересный элемент цифровой электроники – триггер. Поскольку многие слова, и это в том числе, пришли в электронику из английского языка, полистаем англо-русский словарь. Trigger – защелка, спусковой крючок. Сразу всплывают в памяти рассказы об охотниках, индейцах… Стараясь не шуметь, не наступить ненароком на сухую ветку, пробираемся по звериной тропе. Цель где-то близко. Осторожно взводим курок ружья. Слабый щелчок, и курок остался во изведенном положении. Спусковой механизм смазан и отрегулирован, теперь достаточно легкого нажима на спусковой крючок, и курок вернется в исходное положение – грянет выстрел!

Итак, триггер является устройством, которое может находиться в двух устойчивых состояниях: взведен – 1, спущен – 0. Причем в каждом из состояний триггер может пребывать как угодно долго, и никаких внешних воздействий для поддержания этого состояния не требуется. Внешнее воздействие нужно только для переключения триггера из одного состояния в другое. Собственно, свойствами триггера обладает выключатель электрической лампы в вашей комнате. Но и в охотничьем ружье, и в выключателе триггерными свойствами наделены механические устройства с крючками, защелками и пружинами. А вот и схема простейшего триггера на двух транзисторах – без всяких пружин и механических движущихся частей.

Триггер на транзисторах.

Если транзистор V₁ открыт, то его коллекторный ток создает большое падение напряжения на коллекторной нагрузке R₁, следовательно, коллектор V₁ и база V₂ имеют низкий потенциал. Значит, транзистор V₂ закрыт, а ток через резистор R₂ идет к базе транзистора V₁, открывая его полностью, до насыщения. Чтобы «перебросить» триггер в другое состояние, достаточно приоткрыть транзистор V₂ коротким импульсом напряжения, поданным на его базу.

Появится коллекторный ток, напряжение на коллекторе V₂ уменьшится, что приведет к закрыванию транзистора V₁ и к еще большему открыванию транзистора V₂. Этот лавинообразный процесс переключит триггер в другое устойчивое состояние, когда транзистор V₁ закрыт, a V₂ полностью открыт.

Триггер можно выполнить и на двух уже рассмотренных нами логических элементах – инверторах. Два входа соединяются крест-накрест с выходами элементов, а два других входа можно использовать как установочные. Вход S – вход установки 1. Если этот вход соединить с общим проводом, то на выходе верхнего элемента появится уровень 1. Этот уровень, действуя на вход нижнего элемента, установит 0 на его выходе, а значит, и на втором входе верхнего элемента. Триггер «защелкнется» и будет находиться в этом состоянии до тех нор, пока на вход R-вход «сброса» – не будет подан сигнал логического 0. Тогда триггер переключится, и на верхнем (по схеме) выходе установится низкий уровень 0, а на нижнем высокий уровень 1. Триггер с раздельными входами называют RS-триггером. Оба элемента удобно объединить в одной микросхеме, так обычно и делают. Более того, триггер оснащают еще и входной логикой, позволяющей включать его в разных режимах работы.

R-S-триггер на элементах 2И-НЕ.

Например, делают совместно с R– и S-входами счетный вход С. При поступлении импульса на счетный вход триггер переключается в состояние, противоположное тому, в котором он был ранее. Пользуясь счетным входом, очень просто осуществить деление частоты поступающих импульсов на два. Вот как это делается.

Входы S и R не использованы, а на счетный вход подана последовательность импульсов. Триггер переключается каждым отрицательным перепадом входного сигнала, в результате на выходе импульсы следуют вдвое реже, чем на входе.

Делитель частоты на два.

Сконструирован D-триггер – прекрасное устройство запоминания информации. На вход D подается исходный сигнал, но состояние триггера не изменится до тех пор, пока на вход С не будет подан импульс – команда записи. Тогда на выходе триггера установится такой же уровень, какой был на входе в момент записи. Это состояние не изменится, пока на вход С не будет подана новая команда. Предположим, что нам надо записать некоторое число в двоичном коде, например 01001110. Каждый разряд этого числа передается но отдельному проводу (так называемый параллельный ввод). Мы подключаем все провода к D-входам триггеров, а все входы С соединяем вместе. На эту шину подается команда записи.

Все триггеры устанавливаются в состояние, соответствующее уровням на входах D, и число записано. Оно будет храниться неограниченно долго, пока на входы С не подадут новую команду для записи другого числа.

D-триггер.

А что делать, если информация поступает последовательно, по одному-единственному входу? Последовательно вводимую информацию тоже можно записать с помощью триггеров, только соединить их следует по-другому. Представьте шеренгу солдат, застывших в строю. Звучит команда: «По порядку номеров рассчитайсь!». – «Первый, второй, третий» и т. д. Каждый из солдат по очереди объявляет свой номер, и «точка счета» бежит вдоль строя до самого конца. Подобным образом действует и ряд последовательно соединенных D-триггеров, образующих регистр сдвига. Триггеры в регистре организованы еще лучше, чем солдаты в строю. Каждый из солдат выкрикивает свой номер после того, как крикнет предыдущий, причем задержка в счете зависит от индивидуальных качеств каждого – кто-то среагировал быстро, а кто-то задумался и крикнул свой номер с опозданием.