双稳态电路-工作原理-设计

sydz

一、工作原理

图一为双稳态电路，它是由两级反相器组成的正反馈电路，有两个稳定状态，或者是BG1导通、BG2截止；或者是BG1截止、BG2导通，由于它具有记忆功能，所以广泛地用于计数电路、分频电路和控制电路中，                                                                         原理，图2（a）中，设触发器的初始状态为BG1导通，BG2截止，当触发脉冲方波从1端输入，经CpRp微分后，在A点产生正、负方向的尖脉冲，而只有正尖脉冲能通过二极管D1作用于导通管BG1的基极是。ic1减小使BG1退出饱和并进入放大状态，于是它的集电极电位降低，经电阻分压器送到截止管BG2的基极，使BG2的基极电位下降，如果下降幅度足够时，BG2将由截止进入放大状态，因而产生下列正反馈过程（看下列反馈过程时，应注意：在图一的PNP电路中，晶体管的基极和集电极电位均为负值，所以uc1↓，表示BG1集电极电位降低，而uc1↑则表示BG1集电极电位升高，当BG1基极电位降低时，则ic1↑，反之当BG1基极电位升高时，ic1↓

ic1越来越小，ic2越来越大，最后到达BG1截止、BG2导通；接差触发脉冲方波从2端输入，并在t=t2时，有正尖脉冲作用于导通管BG2的基极，又经过正反馈过程，使BG1导通，BG2截止。以后，在1、2端的触发脉冲的轮流作用下，双稳电路的状态也作用相应的翻转，如图一（b）所示。

                                                        

图一、双稳态电路

                                                        

由上述过程可见：（1）双稳态电路的尖顶触发脉冲极性由晶体管的管型决定：PNP管要求正极性脉冲触发，而NPN管却要求负极性脉冲触发。（2）每触发一次，电路翻转一次，因此，从翻转次数的多少，就可以计算输入脉冲的个数，这就是双稳态电路能够计算的原理。                                                                         双稳态电路的触发电路形式有：单边触发、基极触发、集电极触发和控制触发等。                                                                         图二给出几种实用的双稳态电路。电路（a)中D3、D4为限幅二极管，使输出幅度限制在-6伏左右；电路（b）中的D5、D6是削去负尖脉冲；电路（C）中的ui1、ui2为单触发，ui为输入触发表一是上述电路的技术指标。

                                                        

图二、几种实用的双稳态电路

                                                        

表一                                                                                                                                                                                         几种双稳态触发器的技术指标                                                                                                                                                                                 图二                                                                                                                                                                                         (a)                                                                                                                                                                                                                                                                                 (b)                                                                                                                                                                                                                                                                                 (c)                                                                                                                                                                                                                                                                                 (d)                                                                                                                                                                                 管型                                                                                         二极管                                                                                                                                                                                         2AP3                                                                                                                                                                                                                                                                                 2AP15                                                                                                                                                                                                                                                                                 2AK1C                                                                                                                                                                                                                                                                                 2AK17                                                                                                                                                                                 三极管                                                                                                                                                                                         3AX31B                                                                                                                                                                                                                                                                                 3AG40                                                                                                                                                                                                                                                                                 3AK20                                                                                                                                                                                                                                                                                 3DK3B                                                                                                                                                                                 信号电平                                                                                         “0”（无信号）（V）                                                                                                                                                                                         0                                                                                                                                                                                                                                                                                 0                                                                                                                                                                                                                                                                                 0                                                                                                                                                                                                                                                                                 +6                                                                                                                                                                                 “1”（有信号）（V）                                                                                                                                                                                         -6                                                                                                                                                                                                                                                                                 -6                                                                                                                                                                                                                                                                                 -9                                                                                                                                                                                                                                                                                 0                                                                                                                                                                                 工作频率（KHz）                                                                                                                                                                                         10                                                                                                                                                                                                                                                                                 600                                                                                                                                                                                                                                                                                 1000                                                                                                                                                                                                                                                                                 8000                                                                                                                                                                                 抗干扰电压（V）                                                                                                                                                                                         ≥1                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≥1.5                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≥2                                                                                                                                                                                                                                                                                 0.8-1                                                                                                                                                                                 触发灵敏度（V)                                                                                                                                                                                         ≤4                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤4.8                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤7                                                                                                                                                                                                                                                                                 2.5                                                                                                                                                                                 输出端的吸收能力（mA)                                                                                                                                                                                         ≤4                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤6.7                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤2                                                                                                                                                                                                                                                                                 10                                                                                                                                                                                 输出端的发射能力（mA)                                                                                                                                                                                         ≤44                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤12                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤12                                                                                                                                                                                                                                                                                 7                                                                                                                                                                                 输出脉冲的上升时间（μs）                                                                                                                                                                                         2                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤0.30                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤0.1                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤0.1                                                                                                                                                                                 输出脉冲的下降时间（μs）                                                                                                                                                                                         2                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤0.36                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤0.15                                                                                                                                                                                                                                                                                 ≤0.1                                                                                                                                                                                 对β值的要求                                                                                                                                                                                         ＞50                                                                                                                                                                                                                                                                                 50-80                                                                                                                                                                                                                                                                                 60-90                                                                                                                                                                                                                                                                                 ＞50                                                                                                                                                                                 元件参数的允许化                                                                                                                                                                                         △β＜10,±5%                                                                                                                                                                                                                                                                                 △β＜10,±5%                                                                                                                                                                                                                                                                                 △β＜10,±5%                                                                                                                                                                                                                                                                                 △β＜10,±5%                                                                                                                                                                                 电源电压的波动范围                                                                                                                                                                                         ±5%                                                                                                                                                                                                                                                                                 ±5%                                                                                                                                                                                                                                                                                 ±5%                                                                                                                                                                                                                                                                                 ±5%                                                                                                                                                                                 工作温度范围（℃）                                                                                                                                                                                         0-40                                                                                                                                                                                                                                                                                 -10-55                                                                                                                                                                                                                                                                                 -20-50                                                                                                                                                                                                                                                                                 -10-55

                                                        

二、双稳态电路的设计

                                                        

图三、双稳态的设计电路

                                                        

双稳态设计电路见表二

                                                                        

表二		双稳态电路的设计公式及计算实例
要求	（1）输出幅度Um=6V,（2）上升时间，tr≤100nS                                                                                         （3）最高工作频率fmax=1MHz
步骤	计算公式	计算实例
选择晶体管	若工作频率高时，应选用高速硅开关管                                                                                         若工作频率低可选用低频硅或锗管	现选3DK，β=50                                                                                         二极管选用2CK10
选择电源电压	图3为设计电路，故应确定ED、EC、EB	∵采用箝位电路，故选ED≈Um                                                                                         ∴ED=6V，Ec=2ED=12v,Eb=-12
计算Rc	Rc＜Ec/ED tr/CL                                                                                         CL为集电极对地的电容（包括加速电容、分布电容、后级输入电容）	现设CL=180pF                                                                                         Rc＜12/6 100×10 /180×10 =1.1kΩ
计算Rk、RB	为保证可靠截止，应满足：                                                                                         Uces-[(EB+Uces)/(RK+RB)]RK＜Ubeo                                                                                         为保证可靠饱和，应满足：                                                                                         β{[(Uco-Ubes)/RK]-[(EB+Ubes)/RB]}＞[(Ec-Uces)/Rc]+IL                                                                                         式中：Uces为饱和电压，对硅管Uces≈(0.3～0.4)V                                                                                         Ubeo为截止管临界电压，Ubeo≈0.2V                                                                                         Uco为截止管的集电极电压，应取：Uco=ED+(箝位管正向压降）IL为双稳电路灌入负截电流	现选Uces=0.4V,Ubeo=0.2V                                                                                         0.4-[(12+0.4)/(Rk+RB)]Rk＜0.2                                                                                         ∴RB＜61RK (A)                                                                                         现设IL=100mA,Ueo=6+0.4=6.4V                                                                                         50[(6.4-0.7)/RK]-[(12+0.7)/RB]＞[(12-0.4)/1]+10                                                                                         ∴RB＞12.7RK/(5.7-0.43RK (B)                                                                                         若选RK=6.8k由（A）算得RB＜415K，由(B)式算得RB＞31K，故选RB=39K
选择CrRr	RrCr≤1/2fmax,通常Cr为几十pF	现选Cr=51pF                                                                                         ∴Rr≤1/6×10 51×10=3.2k                                                                                         故选Rr=2.4k
选择加速电容CK	对合金管CK为几百pF对高频外延管CK为几十pF	现选Ck=51pF                                                                                         计算结果标在图三中