详解双稳态触发器

双稳态触发器是脉冲和数字电路中常用的基本触发器之一。双稳态触发器的特点是具有2个稳定的状态，并且在外加触发信号的作用下，可以由一种稳定状态转换为另一种稳定状态。在没有外加触发信号时，现有状态将一直保持下去。双稳态触发器可以由晶体管、数字电路或时基电路等构成。

1.晶体管双稳态触发器

晶体管双稳态触发器电路如图9-15所示，由VT1、VT22个晶体管交叉耦合而成。R5、R3是VT1的基极偏置电阻，R2、R6是VT2的基极偏置电阻，R1、R4分别是两管的集电极电阻。输出信号可以从2个晶体管的集电极取出，两管输出信号相反。

图9-15　晶体管双稳态触发器电路

双稳态触发器实质上由两级共发射极开关电路组成，并形成正反馈回路。形式上改画后的电路如图9-16所示，VT2的集电极输出端信号通过R5反馈到VT1的基极输入端。

图9-16　晶体管双稳态触发器电路的又一画法

(1)双稳态触发器的工作过程

双稳态触发器的2个稳定状态是：要么VT1导通、VT2截止，要么VT1截止、VT2导通。VT1导通、VT2截止状态时，因为VT1导通，Uc1=0V，VT2因无基极偏流而截止，Uc2=+VCC，通过R5向VT1提供基极偏流Ib1，使VT1保持导通，如图9-17所示，电路处于稳定状态。

图9-17　VT1导通、VT2截止时的情况

VT1截止、VT2导通状态时，因为VT2导通，Uc2=0V，VT1因无基极偏流而截止，Uc1=+VCC，通过R2向VT2提供基极偏流Ib2，使VT2保持导通，如图9-18所示，电路处于另一稳定状态。

图9-18　VT1截止、VT2导通时的情况

(2)双稳态触发器的单端触发方式

双稳态触发器的触发方式有单端触发和计数触发两种。

单端触发就是把两路触发脉冲分别加到2个晶体管的基极，电路具有2个触发端，如图9-19所示。该单端触发电路采用的是将负脉冲加至导通管基极使其截止的方法。C1与R7、C2与R8分别组成两路触发脉冲的微分电路。二极管VD1、VD2隔离正脉冲，只允许负脉冲加到晶体管基极。

图9-19　单端触发电路

设电路初始状态为VT1导通，VT2截止，电路触发过程如下。

当在左侧触发端加入一脉冲Ui1时，经C1、R7微分，其上升沿和下降沿分别产生正、负脉冲。正脉冲被VD1隔离，负脉冲则经过VD1加至导通管VT1基极使其截止。VT1的截止又迫使VT2导通，双稳态触发器转换为另一稳定状态。

同理，当在右侧触发端加入一脉冲Ui2时，导通管VT2截止，VT1导通，双稳态触发器再次翻转。图9-20所示为单端触发电路工作波形。

图9-20　单端触发电路工作波形

(3)双稳态触发器的计数触发方式

计数触发电路如图9-21所示，与单端触发电路不同的是，计数触发电路只有1个触发输入端，触发脉冲通过C1和C2同时加到2个晶体管的基极，并且微分电阻R7、R8不是接地而是改接至本侧晶体管的集电极。

图9-21　计数触发电路

当触发端加上触发脉冲Ui时，经微分后产生的负脉冲使导通管截止，而对截止管不起作用。因此，每一个触发脉冲都使双稳态触发器翻转1次，所以叫做计数触发，电路波形如图9-22所示。电阻R7、R8起引导作用，使每次负触发脉冲只加到导通管基极，保证电路可靠翻转。

图9-22　计数触发电路工作波形

2.门电路构成的双稳态触发器

用数字电路中的门电路可以方便地构成双稳态触发器，而且无须外围元器件，无须调试，电路简洁可靠。

(1)或非门构成的RS双稳态触发器

将两个或非门电路交叉耦合，可以构成RS双稳态触发器，如图9-23所示。电路具有2个触发输入端，R为置“0”输入端，S为置“1”输入端，“1”电平触发有效。电路具有2个输出端，Q为原码输出端，杠Q为反码输出端。

图9-23　或非门构成的双稳态触发器电路

电路工作原理如下。

当R=1、S=0时，触发器被置“0”，Q=0、杠Q=1。

当R=0、S=1时，触发器被置“1”，Q=1、杠Q=0。

当R=0、S=0时，触发器输出状态保持不变。

当R=1、S=1时，下一状态不确定，应避免使触发器出现这种状态。表9-1所示为或非门构成的RS双稳态触发器真值表。

表9-1　或非门构成的RS双稳态触发器真值表

(2)与非门构成的RS双稳态触发器

图9-24　与非门构成的RS双稳态触发器电路

将2个与非门电路交叉耦合，也可以构成RS双稳态触发器，如图9-24所示。电路的2个触发输入端是，杠R为置“0”输入端，杠S为置“1”输入端，“0”电平触发有效。电路的2个输出端是，Q为原码输出端，杠Q为反码输出端。

电路工作原理如下。

表9-2　与非门构成的RS双稳态触发器真值表

3.D触发器构成的双稳态触发器

将D触发器的反码输出端杠Q与其自身的数据输入端D相连接，即构成了计数触发式双稳态触发器，如图9-25所示。触发脉冲Ui由CP端输入，上升沿触发。输出信号通常由原码输出端Q引出，也可从反码输出端杠Q输出。

图9-25　D触发器构成的双稳态触发器电路

图9-26所示为电路工作波形。每一个触发脉冲Ui的上升沿都使双稳态触发器翻转1次，因此输出脉冲Uo的个数是输入触发脉冲Ui的1/2。该双稳态触发器常被用作二进制计数单元。

图9-26　D触发器构成的双稳态触发器电路工作波形

4.时基电路构成的双稳态触发器

用时基电路构成的双稳态触发器电路如图9-27所示。杠S为置“1”输入端，“0”电平触发有效。R为置“0”输入端，“1”电平触发有效。输出信号Uo由时基电路的③引脚输出。C1、R1构成杠S端触发信号微分电路，C2、R2构成R端触发信号微分电路。

电路工作过程是：Uo=0时，在杠S端加上一个“0”电平触发脉冲，经C1、R1微分后产生一负脉冲至时基电路的②引脚，使触发器翻转，Uo=1。

图9-27　时基电路构成的双稳态触发器电路

在这之后，当在R端加上一个“1”电平触发脉冲，经C2、R2微分后产生一正脉冲至时基电路的⑥引脚，使触发器再次翻转，又使Uo=0。各点波形如图9-28所示。

图9-28　时基电路构成的双稳态触发器电路工作波形