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可重复触发双管单稳态电路及其应用

2021-06-17沈士宁伍涌

电子制作 2021年10期
关键词:导通低电平高电平

沈士宁,伍涌

(广东省903电视调频台,广东中山,528403)

单稳态电路 (monostable circuit) 是指具有稳态和暂态两种工作状态的单元电路。其中,可重复触发单稳态电路在声、光、触摸、感应、延时等脉冲类检测与控制场合被广泛应用。无外信号触发时,电路处于稳态;有外信号触发时,电路会从稳态变为暂态,并在经过一段时间后,电路会自动从暂态返回到稳态;暂态时间的长短取决于电路本身的参数,而与触发信号作用时间的长短无关。

多数文献资料介绍的单稳态电路,以集成逻辑门、555定时器或单片专用单稳态触发器实现为主。

本文介绍的一种分立元件双管单稳态电路,文献资料中鲜见,可以看作是极-基耦合式单稳态电路的变形,但元件更少,可适用于高低两种电平的触发;经过大量的产品实践检验,成熟稳定,运用灵活,值得借鉴。

1 双管单稳态电路的结构

如图1所示,电路结构与三极管直接耦合放大电路非常相似,所不同的是,电路中Q1和Q2均工作于开关状态(即饱和与截止状态);对电路中的R1~R4设置不同的参数,可使电路工作于高电平触发和低电平触发两种模式:

图1 双管单稳态电路

■1.1 高电平触发模式

稳态时,Q1截止、Q2饱和导通;暂态时,Q2截止、Q1饱和导通。

R1、R4在稳态时使Q1截止;R2在暂态时对Q1/c极限流,在稳态时为Q2/b极提供使Q2饱和的电流;R3在稳态时对Q2/c极限流,在暂态时为OUT+端提供上拉电平;C1的作用是信号耦合与隔直;C2是反馈电容,其主要作用是加宽输出脉冲的宽度,以及增加输出脉冲前后沿的陡度。

电路在高电平脉冲触发时,输出脉冲为高电平。

■1.2 低电平触发模式

稳态时,Q1饱和导通、Q2截止;暂态时,Q2饱和导通、Q1截止。

R1、R4在稳态时使Q1饱和;R2在稳态时对Q1/c极限流时,在暂态时为Q2/b极提供使Q2饱和的电流;R3在暂态时对Q2/c极限流,在稳态时为OUT+端提供上拉电平;C1、C2的作用同上。

电路在低电平脉冲触发时,输出脉冲为低电平。

在低电平触发模式中,由于Q1稳态时处于饱和导通状态,故Q1/b极无须下拉电阻,即R4可以省略,如图2所示。

图2 低电平触发双管单稳态电路

2 双管单稳态电路工作原理

为减少干扰,负脉冲触发的单稳态电路在实际应用中居多。下面以图2所示的电路,略去上电和断电过程,仅阐述其正常工作时的原理:

■2.1 稳态阶段(无触发阶段)

Q1饱和导通→Q1/c极低电平→Q2/b极低电平→Q2截止→Q2/c极高电平→电路OUT+端高电平。可以看出,若在电路IN端施以高电平,只会加深Q1的饱和深度,而不会改变电路的工作状态。

■2.2 暂态阶段(触发响应阶段)

具体的物理过程比较复杂,可简单描述为:当IN端传来一个低电平脉冲→Q1/b极低电平→Q1截止→Q1/c极高电平→Q2/b极高电平→Q2饱和导通→Q2/c极低电平→电路OUT+端低电平,此时,由于C2的作用,加强了Q1的“截止深度”。与此同时,VCC开始通过R1对C1充电,在将Q1/b极电压升至导通电压之前,电路将保持现有状态,保持的时间就是输出低电平脉冲的宽度。

■2.3 恢复阶段(响应结束阶段)

Vcc通过R1向C2不断充电,使Q1/b极的电压逐渐升高。当Q1/b极的电压达到导通电压时,物理过程同样可简单描述为:Q1导通→Q1/c极低电平→Q2/b极低电平→Q2截止→Q2/c极高电平→电路OUT+端高电平,电路恢复稳态,等待下一次触发。

以上就是该电路的基本工作过程。

■2.4 反馈电容的工作状态

在暂态阶段开始的时候,C2使Q1/b极瞬间变为负压,加速了Q1的截止,也可以说,此时的C2起到微分的作用;暂态阶段持续的时候,C2由于Vcc的充电,逐渐抬升Q1/b极的电压,起到积分的作用;暂态阶段结束的时候,C2瞬间加大了Q1/b极的电流,加速了Q1的饱和,又起到微分的作用;稳态阶段开始后的一段时间,C2又起到积分的作用,不过方向是相反的;稳态阶段持续的时候,C2状态不变。其实,所有这些动态的过程,无非是Vcc在通过R1或R3,对C2进行正反向充电,以及利用电容器两端电压不能突变的特性来完成的;有兴趣的读者,不妨列清楚上述每一个动态过程的电流通路,还有C2两端的极性变化,这有助于我们清晰理解C2的工作过程,而能理解这些过程,又是我们深入领会和掌握模拟电路的分析和设计的基本功之一。

■2.5 输出脉宽的计算

忽略IN端和OUT端的影响,当触发响应开始后,Vcc对C2开始充电,充电电流的通路为Vcc→R1→C2→Q2/c极→地,因此,R1和C2组成的积分电路是决定输出脉宽的主要因素。脉宽T的计算方法如下:

① 设NPN三极管饱和时,be极间压降为0.7V,ce极间压降为0.3V;

② C2两端的暂态初始电压为Vo=(0.7-Vcc)V(不再列出推导过程);

③ C2两端的暂态终止的电压为V(T)=0.4V (不再列出推导过程)。

对脉宽T的计算,即为对一个电容初始电压不为0的积分电路,计算其充电至某电压的时间。

其中, Vc(t)— t时刻电容两端电压

Co — 不定积分常数

这里要指出的是,暂态的开始和结束时间都会影响输出脉宽,而这两个时间与三极管的导通时间、关断时间等因素相关,只是在低频应用时,可以将它们忽略,高频应用时,则必须考虑。

上述结果是理想状态下计算出来的,在实际设计当中,由于存在输入输出阻抗(大多数情况下,这个阻抗甚至是动态的),以及其它因素,使得计算结果与实际状态产生偏差。因此,我们要充分考虑输出脉宽的冗余度,以消除各种不利影响。

对于高电平触发模式而言,如图1所示,可以看出,在触发响应时,Vcc对C2充电电流的通路为Vcc→R3→C2→R4//Q1/b极→地;与低电平触发模式相比较,流经C2的电流方向相反,与C2共同对输出脉宽起主要作用的元件是R3;电路的分析与输出脉宽的计算,思路是一致的,不再赘述。

3 触发灵敏度的调节

在实际应用中,我们往往需要能方便地对单稳态电路的响应“灵敏度”进行调节。

以低电平触发模式为例。如图2所示,我们可以看出,输入脉冲要达到一定的“强度”,才可以触发整个电路,而这个所需“强度”的大小,在Vcc一定时,只取决于Q1的饱和深度,饱和越深,灵敏度越低(即要求输入信号幅度越大),饱和越浅,灵敏度越高(即输入信号幅度可以较小)。

因此,对于触发灵敏度的调节,经常用以下三种方式:

(1)改变输入信号电平,比如IN端电阻分压;

(2)改变Q1的b极电流,比如R1串接可变电阻;

(3)改变Q1的c极电流,比如R2串接可变电阻。

由于三极管放大作用的存在,使得第二种方式大大优于第三种方式,实践当中较多采用,或者组合应用。

4 双管单稳态电路的灵活应用

举几个常用的例子:

■4.1 电压触发型电路

图1和图2都是电流触发型的电路,缺点是输入阻抗低、灵敏度不够高。在需要电压驱动的场合,只须将图1中的Q1由三极管换成N-mos管即可。如图3所示。

■4.2 高输入阻抗电压驱动型电路

图3所示的电路,一般应用于触发电压信号较强的场合,并且不考虑电路本身对外信号的影响;它的缺点显而易见,由于R1、R4、C2及Q1栅极电容的影响,使电路的输入阻抗不高,还会对输入信号造成较强干扰。

图3 电压触发型双管单稳态电路

在Q1前端加入运放,可以修正上述缺点。图4所示电路,即为某些量产产品的实际电路。其中,IC1是价格便宜的TL431,一般用作可控精密稳压源;但在该电路中,将TL431等效为运放使用,相当于同相输入端接输入信号、反向输入端接2.495V电压源的比较器(见图中细线框中的等效电路)。由于TL431的K端与Q1/b极的直流工作点不同,电容Cd与C1一样,都是起耦合隔直的作用,否则,电路是不能工作的。

图4 高输入阻抗电压触发式双管单稳态电路

需要注意的是,与前述电路不同,该电路的灵敏度已经不再取决于Q1的饱和深度,而取决于Vcc、Ra、Rb,即Ra、Rb对Vcc分压后的电压值越接近2.495V,则触发灵敏度越高,而Q1、Q2和C2,只起到加大输出脉冲宽度的作用。

■4.3 光敏灵敏度自动调节型电路

图5所示电路中,由于RL(光敏电阻)的存在,使得电路的触发灵敏度随光照强度的变化而变化,光照变强,则触发灵敏度降低,光照变弱,则触发灵敏度提高,有趣的是,输出脉宽也在跟着发生变化。在实际应用当中,往往会给RL并联一个电阻,以减小RL的变化范围。

图5 光敏灵敏度自动调节式双管单稳态电路

根据这个思路,许多对各种物理量敏感的器件都可以如图5般应用,比如热敏、压敏等等。

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