可重復觸發雙管單穩態電路及其應用

沈士寧，伍涌

（廣東省903電視調頻臺，廣東中山，528403）

單穩態電路 （monostable circuit） 是指具有穩態和暫態兩種工作狀態的單元電路。其中，可重復觸發單穩態電路在聲、光、觸摸、感應、延時等脈沖類檢測與控制場合被廣泛應用。無外信號觸發時，電路處于穩態；有外信號觸發時，電路會從穩態變為暫態，并在經過一段時間后，電路會自動從暫態返回到穩態；暫態時間的長短取決于電路本身的參數，而與觸發信號作用時間的長短無關。

多數文獻資料介紹的單穩態電路，以集成邏輯門、555定時器或單片專用單穩態觸發器實現為主。

本文介紹的一種分立元件雙管單穩態電路，文獻資料中鮮見，可以看作是極-基耦合式單穩態電路的變形，但元件更少，可適用于高低兩種電平的觸發；經過大量的產品實踐檢驗，成熟穩定，運用靈活，值得借鑒。

1 雙管單穩態電路的結構

如圖1所示，電路結構與三極管直接耦合放大電路非常相似，所不同的是，電路中Q1和Q2均工作于開關狀態（即飽和與截止狀態）；對電路中的R1～R4設置不同的參數，可使電路工作于高電平觸發和低電平觸發兩種模式：

圖1 雙管單穩態電路

■1.1 高電平觸發模式

穩態時，Q1截止、Q2飽和導通；暫態時，Q2截止、Q1飽和導通。

R1、R4在穩態時使Q1截止；R2在暫態時對Q1/c極限流，在穩態時為Q2/b極提供使Q2飽和的電流；R3在穩態時對Q2/c極限流，在暫態時為OUT+端提供上拉電平；C1的作用是信號耦合與隔直；C2是反饋電容，其主要作用是加寬輸出脈沖的寬度，以及增加輸出脈沖前后沿的陡度。

電路在高電平脈沖觸發時，輸出脈沖為高電平。

■1.2 低電平觸發模式

穩態時，Q1飽和導通、Q2截止；暫態時，Q2飽和導通、Q1截止。

R1、R4在穩態時使Q1飽和；R2在穩態時對Q1/c極限流時，在暫態時為Q2/b極提供使Q2飽和的電流；R3在暫態時對Q2/c極限流，在穩態時為OUT+端提供上拉電平；C1、C2的作用同上。

電路在低電平脈沖觸發時，輸出脈沖為低電平。

在低電平觸發模式中，由于Q1穩態時處于飽和導通狀態，故Q1/b極無須下拉電阻，即R4可以省略，如圖2所示。

圖2 低電平觸發雙管單穩態電路

2 雙管單穩態電路工作原理

為減少干擾，負脈沖觸發的單穩態電路在實際應用中居多。下面以圖2所示的電路，略去上電和斷電過程，僅闡述其正常工作時的原理：

■2.1 穩態階段（無觸發階段）

Q1飽和導通→Q1/c極低電平→Q2/b極低電平→Q2截止→Q2/c極高電平→電路OUT+端高電平。可以看出，若在電路IN端施以高電平，只會加深Q1的飽和深度，而不會改變電路的工作狀態。

■2.2 暫態階段（觸發響應階段）

具體的物理過程比較復雜，可簡單描述為：當IN端傳來一個低電平脈沖→Q1/b極低電平→Q1截止→Q1/c極高電平→Q2/b極高電平→Q2飽和導通→Q2/c極低電平→電路OUT+端低電平，此時，由于C2的作用，加強了Q1的“截止深度”。與此同時，VCC開始通過R1對C1充電，在將Q1/b極電壓升至導通電壓之前，電路將保持現有狀態，保持的時間就是輸出低電平脈沖的寬度。

■2.3 恢復階段（響應結束階段）

Vcc通過R1向C2不斷充電，使Q1/b極的電壓逐漸升高。當Q1/b極的電壓達到導通電壓時，物理過程同樣可簡單描述為：Q1導通→Q1/c極低電平→Q2/b極低電平→Q2截止→Q2/c極高電平→電路OUT+端高電平，電路恢復穩態，等待下一次觸發。

以上就是該電路的基本工作過程。

■2.4 反饋電容的工作狀態

在暫態階段開始的時候，C2使Q1/b極瞬間變為負壓，加速了Q1的截止，也可以說，此時的C2起到微分的作用；暫態階段持續的時候，C2由于Vcc的充電，逐漸抬升Q1/b極的電壓，起到積分的作用；暫態階段結束的時候，C2瞬間加大了Q1/b極的電流，加速了Q1的飽和，又起到微分的作用；穩態階段開始后的一段時間，C2又起到積分的作用，不過方向是相反的；穩態階段持續的時候，C2狀態不變。其實，所有這些動態的過程，無非是Vcc在通過R1或R3，對C2進行正反向充電，以及利用電容器兩端電壓不能突變的特性來完成的；有興趣的讀者，不妨列清楚上述每一個動態過程的電流通路，還有C2兩端的極性變化，這有助于我們清晰理解C2的工作過程，而能理解這些過程，又是我們深入領會和掌握模擬電路的分析和設計的基本功之一。

■2.5 輸出脈寬的計算

忽略IN端和OUT端的影響，當觸發響應開始后，Vcc對C2開始充電，充電電流的通路為Vcc→R1→C2→Q2/c極→地，因此，R1和C2組成的積分電路是決定輸出脈寬的主要因素。脈寬T的計算方法如下：

① 設NPN三極管飽和時,be極間壓降為0.7V，ce極間壓降為0.3V；

② C2兩端的暫態初始電壓為Vo=(0.7-Vcc)V（不再列出推導過程）；

③ C2兩端的暫態終止的電壓為V(T)=0.4V （不再列出推導過程）。

對脈寬T的計算，即為對一個電容初始電壓不為0的積分電路，計算其充電至某電壓的時間。

其中， Vc(t)— t時刻電容兩端電壓

Co — 不定積分常數

這里要指出的是，暫態的開始和結束時間都會影響輸出脈寬，而這兩個時間與三極管的導通時間、關斷時間等因素相關，只是在低頻應用時，可以將它們忽略，高頻應用時，則必須考慮。

上述結果是理想狀態下計算出來的，在實際設計當中，由于存在輸入輸出阻抗（大多數情況下，這個阻抗甚至是動態的），以及其它因素，使得計算結果與實際狀態產生偏差。因此，我們要充分考慮輸出脈寬的冗余度，以消除各種不利影響。

對于高電平觸發模式而言，如圖1所示，可以看出，在觸發響應時，Vcc對C2充電電流的通路為Vcc→R3→C2→R4//Q1/b極→地；與低電平觸發模式相比較，流經C2的電流方向相反，與C2共同對輸出脈寬起主要作用的元件是R3；電路的分析與輸出脈寬的計算，思路是一致的，不再贅述。

3 觸發靈敏度的調節

在實際應用中，我們往往需要能方便地對單穩態電路的響應“靈敏度”進行調節。

以低電平觸發模式為例。如圖2所示，我們可以看出，輸入脈沖要達到一定的“強度”，才可以觸發整個電路，而這個所需“強度”的大小，在Vcc一定時，只取決于Q1的飽和深度，飽和越深，靈敏度越低（即要求輸入信號幅度越大），飽和越淺，靈敏度越高（即輸入信號幅度可以較小）。

因此，對于觸發靈敏度的調節，經常用以下三種方式：

（1）改變輸入信號電平，比如IN端電阻分壓；

（2）改變Q1的b極電流，比如R1串接可變電阻；

（3）改變Q1的c極電流，比如R2串接可變電阻。

由于三極管放大作用的存在，使得第二種方式大大優于第三種方式，實踐當中較多采用，或者組合應用。

4 雙管單穩態電路的靈活應用

舉幾個常用的例子：

■4.1 電壓觸發型電路

圖1和圖2都是電流觸發型的電路，缺點是輸入阻抗低、靈敏度不夠高。在需要電壓驅動的場合，只須將圖1中的Q1由三極管換成N-mos管即可。如圖3所示。

■4.2 高輸入阻抗電壓驅動型電路

圖3所示的電路，一般應用于觸發電壓信號較強的場合，并且不考慮電路本身對外信號的影響；它的缺點顯而易見，由于R1、R4、C2及Q1柵極電容的影響，使電路的輸入阻抗不高，還會對輸入信號造成較強干擾。

圖3 電壓觸發型雙管單穩態電路

在Q1前端加入運放，可以修正上述缺點。圖4所示電路，即為某些量產產品的實際電路。其中，IC1是價格便宜的TL431,一般用作可控精密穩壓源；但在該電路中，將TL431等效為運放使用,相當于同相輸入端接輸入信號、反向輸入端接2.495V電壓源的比較器（見圖中細線框中的等效電路）。由于TL431的K端與Q1/b極的直流工作點不同，電容Cd與C1一樣，都是起耦合隔直的作用，否則，電路是不能工作的。

圖4 高輸入阻抗電壓觸發式雙管單穩態電路

需要注意的是，與前述電路不同，該電路的靈敏度已經不再取決于Q1的飽和深度，而取決于Vcc、Ra、Rb，即Ra、Rb對Vcc分壓后的電壓值越接近2.495V，則觸發靈敏度越高，而Q1、Q2和C2，只起到加大輸出脈沖寬度的作用。

■4.3 光敏靈敏度自動調節型電路

圖5所示電路中，由于RL（光敏電阻）的存在，使得電路的觸發靈敏度隨光照強度的變化而變化，光照變強，則觸發靈敏度降低，光照變弱，則觸發靈敏度提高,有趣的是，輸出脈寬也在跟著發生變化。在實際應用當中，往往會給RL并聯一個電阻，以減小RL的變化范圍。

圖5 光敏靈敏度自動調節式雙管單穩態電路

根據這個思路，許多對各種物理量敏感的器件都可以如圖5般應用，比如熱敏、壓敏等等。