双稳态触发器的设计与调试

双稳态触发器是最基本的脉冲数字电路，它可以对脉冲信号进行记忆和记数，也可以作为矩形脉冲发生器，因此它被广泛地应用在计算技术、自动控制装置、雷达和通信设备中。

图1是一个典型的双稳态触发器的电原理图（以NPN型晶体管为例）。它实质上是由两个对称的反相器组成的两级正反馈放大器，图2是这种电路的习惯画法。由图1可以看出，在接通电源后，若晶体管BG\(_{1}\)饱和，则其集电极C1输出低电平，迫使BG\(_{2}\)截止，BG2截止后，其集电极C\(_{2}\)输出高电平，经正反馈到BG1基极，又保证了BG\(_{1}\)的饱和，于是电路处于BG1饱和，BG\(_{2}\)截止的稳定状态。反之，若接通电源时BG1截止，则BG\(_{2}\) 必定饱和，电路将处于另一个稳定状态。

在某一稳定状态下，若在饱和管的基极引入一个负脉冲，使饱和管脱离饱和，截止管也会脱离截止，驱使两管都进入放大状态，就会在强烈的正反馈作用下，使电路从一个稳定状态迅速转换到另一个稳定状态。我们把需要记忆的脉冲一个个地依次触发双稳态触发器，使电路不停而可靠地翻转，就可以记忆脉冲的个数了。

要准确可靠地记忆脉冲，要求触发器在没有触发信号作用时，要有良好的稳定性，不致由于外界干扰脉冲的影响使电路错误转换。为此，在设计电路确定元件参数时，要满足截止条件和饱和条件。下面就来详细地分析电路的稳态条件。

判断晶体管能否可靠截止和充分饱和关键在于它的基极。因为要使管子截止，就要在基极加上截止偏压U\(_{ber}\)，所以分析截止条件时，必须从分析基极电压入手；要使管子饱和，就要从基极注入足够大的基极电流，所以分析饱和条件时，要从分析基极电流入手，满足Ib＞I\(_{bs}\)。

先分析当BG\(_{1}\)饱和时，保证BG2可靠截止的电路条件。图3是BG\(_{1}\)饱和，BG2截止时的简化电路。由于BG\(_{1}\)饱和，其集电极电位Uc1=U\(_{ces}\)≈0.3V（开关管），所以饱和管的c、e之间相当于一个恒压电源。由于BG2截止，I\(_{b}\)≈0，可近似认为b、e之间开路。这样，图3的电路就可以等效为图4所示的线性电路，使分析与计算大为简化。由图4可以算出BG2截止时的基极电位U\(_{b2}\)=Uces-IR\(_{1}\)Uces可忽略不计，U\(_{b2}\)≈-EbR\(_{1}\)R1+R\(_{2}\)为使BG2可靠截止，应满足U\(_{b2}\)≤Uber，U\(_{ber}\)是根据所需截止深度而选定的截止偏压，即

将上式整理后得出

显然，当E\(_{b}\)、Uber确定后，触发器的截止条件完全取决于R\(_{1}\)与R2的数值。R\(_{1}\)越大，R2越小，越能满足截止条件。这是由于-E\(_{b}\)在R1上的分压越大，U\(_{b2}\)越负，使管子截止越深。但是，管子截止越深，在电路转换时，要使管子由深截止变为导通，就需要加入更大的触发脉冲，而且转换的过渡时间也更长了，这就降低了触发器的触发灵敏度和转换速度。因此，截止深度应根据实际要求决定，一般取截止偏压Uber=0～-2V。

再分析当BG\(_{2}\)截止时保证BG1充分饱和的电路条件。图5是BG\(_{2}\)截止，BG1饱和时的简化电路。由于BG\(_{1}\)饱和，所以其前向压降Ubes≈0.7V（硅管），可以把饱和管的b、e之间等效为一个导通的二极管，这样，就可把图5化为图6所示的线性电路。由图中可知

显然，饱和条件和电路的所有参数都有关，但是在E\(_{c}\)、Eb、R\(_{c}\)和晶体管都已选定后，饱和条件就只决定于R1、R\(_{2}\)的相对大小了。R1越小，R\(_{2}\)越大，越容易满足饱和条件。

比较（1）式和（2）式可以看出，要截止可靠，必须R\(_{1}\)大、R2小；要饱和充分，必须R\(_{1}\)小、R2大。截止与饱和，对R\(_{1}\)、R2提出了相反的要求。因此，为保证触发器稳定可靠地工作，关键在于合理地选择R\(_{1}\)、R2的数值。要满足稳态条件，可以把（1）式与（2）式联立，即

然后，用图解法求出R\(_{1}\)与R2的合适数值，具体作法将在下面的设计方法中叙述。

双稳态触发器是两级电阻分压耦合的正反馈放大器，在外界触发脉冲的作用下，破坏了电路的稳定条件，依靠电路内部正反馈的积累过程，使电路由一种稳态迅速翻转到另一个稳态。本刊1974年第5期《双稳态触发器》一文已经分析了触发翻转过程，本文重点分析触发电路和加速电容参数选择的一般原则。

通常，双稳态触发器采用尖顶脉冲作为触发信号。它是将输入矩形脉冲通过微分电路和隔离二极管变换而成的，触发电路的组成如图7所示。为了保证电路可靠地转换，对触发脉冲的幅度和宽度就有一定的要求。触发脉冲的幅度太小，电路就可能转换不了或转换很慢；太大，则在其作用期间两个隔离二极管都可能导通，对转换也不利。一般取3～7V，通过实验决定。触发脉冲的宽度也要合适，太窄，则尖顶脉冲的持续时间小于饱和管的关闭时间t\(_{关}\)，电路转换不了或转换不可靠。太宽，则尖顶脉冲的持续时间长，当原截止管向饱和转化时，它又被引导到原截止管的基极，影响触发器的转换速度，甚至使电路不能转换。

触发脉冲的宽度和幅度是由微分电路的参数决定的。构成微分电路的条件是RC电路的时间常数τ远小于输入脉冲的宽度T\(_{k}\)。在触发器输入电路中，常取

如果输入脉冲是对称方波，重复周期为T，重复频率为f，则脉冲宽度T\(_{k}\)=\(\frac{T}{2}\)=1;2f，则

微分电容C\(_{r}\)选得大，则触发电路供给饱和管的反向基极电流就大，使管子较快地脱离饱和，从而缩短管子的关闭时间t关。微分电阻R\(_{r}\)的大小主要是影响触发脉冲的宽度。所以适当地选择微分电路的参数，是使触发器可靠翻转的一个必要条件。

大家知道，在反相器电路中引进加速电容C\(_{j}\)以后，能够有效地缩短管子的开通时间t开和关闭时间t\(_{关}\)。在双稳态触发器中，加速电容Cj越大，集电极与基极之间的动态耦合越强，翻转的可靠性越高。特别是当集电极带上电容负载以后，会使集电极电位的变化减慢，也就延长了截止管脱离截止的时间，就有可能使本来满足翻转必要条件的电路，由于负载电容充电的延时作用，使电路在触发脉冲作用期间，不能保证截止管的基极电位上升到使管子导通的数值。在这种情况下，就可以采用较大的加速电容，提高动态耦合，缩短截止管脱离截止的时间，以补偿负载电容的影响，使电路重新满足转换的必要条件。

因此，在电路中引进加速电容，是电路内部提高翻转的可靠性的重要措施。但是，加速电容选得太大，在翻转过程结束后，电路的恢复时间就要加长，降低了电路的快速性指标。

以上分析了双稳态触发器可靠工作的必要条件，现在我们以图8所示的典型的固定偏压饱和型双稳态触发器作为例子，介绍设计这种触发器的一般原则和实用的计算方法。设计的具体步骤为：

1．提出设计要求：双稳态触发器的技术指标是根据设备的具体工作条件提出来的，是工程设计的依据。图8所示的双稳态触发器，要求输出脉冲幅度U\(_{m}\)大于8伏，电路的最高工作频率为1MHZ，最高工作温度为55℃。

2．选择晶体管：晶体管是双稳态触发器的核心元件，它直接影响着电路的静态特性和动态特性。在选管时主要考虑以下几个方面：

（1）电路的工作频率f\(_{max}\)：电路的工作频率越高，对晶体管的高频特性要求越严格。一般在工作频率大于10MHZ时，应选用开关时间很短的开关管（如3DK、3AK系列）；若工作频率在1MH\(_{Z}\)左右，也可选用高频放大管（如3DG、3AG系列）；若工作频率在100KHZ左右，可用一般的中频管或合金低频管（如3AX31等）。开关晶体管在产品目录中都已给出开关时间参数，即t\(_{开}\)和t关。在高频运用时应取

即根据电路的最高工作频率f\(_{max}\)，由上式提出对晶体管开关时间的要求，选择合适的管型。

（2）两管的特性应该基本一致，其参数之差不应超过10～20％。

（3）电路的最高工作电压和最大工作电流不应超过晶体管的极限参数（I\(_{CM}\)、BUceo和P\(_{CM}\)）。

（4）温度稳定性：硅管比锗管温度稳定性好得多，目前广泛采用硅管。

本例工作频率f\(_{max}\)=1MHZ，U\(_{m}\)≥8V，故选用开关管3DK2，其主要参数为：ICM=30mA，BU\(_{ceo}\)≥20V，t开≤20ns，t\(_{关}\)≤40ns，β=20～150，Icbo＜0.1μA，能够满足要求。

3．选择电源电压；集电极电源E\(_{c}\)主要根据触发器输出幅度Um来确定，并考虑到晶体管的耐压要求。在工作中一般允许电网电压有±10％的波动，所以应该满足E\(_{c}\)（1－10％）＞Um，E\(_{c}\)（1＋10％）＜BUceo，一般取E\(_{c}\)=（1.2～1.5）Um。

选择基极负电源-E\(_{b}\)时，应考虑|-Eb|过大，对快速不利，|-E\(_{b}\)|过小，对截止不利，一般取|-Eb|=（0.2～0.5）E\(_{c}\)。

此外，在选定电源电压时，应使整个设备中电源种类尽量少，并符合国家标准电压档级的规定，常用电源有3、6、12、18、24伏等。本例中要求U\(_{m}\)> 8V，故选Ec=12V，-E\(_{b}\)=－6V。

4．集电极电阻R\(_{c}\)的估算：集电极电阻Rc越大，管子越容易饱和，且电路增益大，这是有利的一面，但是当触发器带上电容负载（包括集电极寄生电容）后，输出脉冲的上升边沿t\(_{r}\)取决于负载电容的充电时间，充电时间常数为τ=RcC\(_{o}\)，所以Rc过大将使上升边沿变坏，对快速不利。但R\(_{c}\)取得太小，则饱和集电极电流Ics较大，β变小，电路功耗增大。故一般中速和低速电路中，取

本例已选晶体管3DK2，其I\(_{CM}\)=30mA，故取Ics=10mA，于是R\(_{c}\)=12V-0.3V10mA=1.17K选系列值1.2K。

5．设计分压电阻R\(_{1}\)、R2：前面已经推导出满足截止条件的公式（1）以及满足饱和条件的公式（2），本例中选截止偏压U\(_{ber}\)=－1V，β=20（注意，要用Ic=I\(_{cs}\)时的β值），Ec、E\(_{b}\)均为已知数，将这些已知数代入式（1）、（2）中，得出

然后将每一公式求出一定个数的R\(_{1}\)、R2对应值，用座标纸描绘成两条曲线，如图9所示。显然，两条曲线中间的区域既满足饱和条件，又满足截止条件，故称为“双稳区”，R\(_{1}\)、R2就可以在其中选择。本例选择R\(_{2}\)=30K、R1=10K,它对应于图9中的M点。

6．选择加速电容C\(_{j}\)：对高频管一般取Cj=20～200PF，低频管取C\(_{j}\)＝200～1000PF。本例取Cj= 51PF。

7．隔离二极管Dr的选择：在高速电路中宜选用开关二极管，如2CK、2AK系列。工作频率小于1MH\(_{Z}\) 时，可用普通点接触型二极管。本例选用2CP14型。

8．微分电路参数的确定：分析转换条件时已知

取C\(_{r}\)=51PF，算出Rr≤3.3K。

上面估算得到的数据还必须通过实验调整才能最后确定下来。下面简单介绍调试的方法。

l．静态测试：首先检查搭好的电路接线是否正确，有无短路或虚焊等情况。再接通电源，不加触发信号，用万用表（灵敏度20000Ω/V以上的较好）测量两只管子的集电极与基极静态电位，判断是否一个管子处于截止状态，另一个处于饱和状态。然后用改锥将饱和管基极碰“地”（即b、e间短路），看集电极电压有无跳变，说明电路能否翻转。翻转后，重复测量两管的集电极和基极的静态电位，两次测出的静态电位应该有很好的对称性。

2．动态测试：用脉冲发生器或多谐振荡器给双稳态触发器输入触发信号，用脉冲示波器（最好是二踪示波器）进行观察，其内容有：

（1）集电极输出波形的频率是否为输入的一半；

（2）前后沿时间是否符合要求，波形是否正常；

（3）测定触发灵敏度：把电源电压向着有利于饱和的方向变化10％[E\(_{c}\)（1＋10％）、－Eb（1－10％)]，此时，将触发脉冲幅度由小逐渐调大，能够使触发器可靠转换的触发脉冲幅度的最小值，就是触发灵敏度。

（4）测定抗干扰能力：把电源电压向着不利于管子饱和的方向变化10％[E\(_{c}\)（1－10％），-Eb（1＋10％）]，改变触发脉冲幅度，能够保证触发器原始稳定状态不变的触发脉冲幅度的最大值，即抗干扰能力。

在测试和调整的过程中，有时会出现触发器不翻转或误动作等情况，可能的原因是：

1．若静态测试发现两晶体管不符合一管饱和、另一管截止的关系，可能是管子和元件有短路或虚焊点。

2．触发器不翻转时，可能是两管参数很不对称，使触发器有较强的倾向性。有时分压电阻阻值不对或搭配不合适也会使触发器不能翻转，可以将R\(_{2}\)适当增大或R1适当减小再进行调试。

3．加速电容C\(_{j}\)和微分电容Cr有断线、脱焊等情况，也会造成触发器不能翻转。

4．隔离二极管D\(_{r}\)的内阻不合适，或极性接反。（宋东生）