宽电压范围通用双稳态触发器设计

师雪雪　刘天时　付春

摘要：为了节省传统的传感器应用电路中使用专用触发器芯片而需要的独立电源，减少基于双运放的双稳态触发器的冗余设计，该文基于运放正反馈原理与RS触发器的交叉耦合原理的相似性，设计了一种基于单运放的通用双稳态触发器，进一步利用等分分布特性进行电路相关参数可靠性设计。该文以LM324为例进行说明，该双稳态触发器适应于整个供电电源范围，减少了独立电源的配备以及运放一半引脚的使用，降低了功耗，可任意组合高电平或低电平进行触发与复位，减少了中间的电平转换过程，对传感器应用电路的设计具有一定的参考价值。

关键词：双稳态触发器；传感器；运算放大器；正反馈

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）15-0169-04

Abstract： To save an independent power supply used by appropriative flip-flop or avoid redundant part design generated by a double op-amp bistable in traditional sensor application circuit， this paper designed a universal bistable flip-flop basic unit based on single op-amp according to the similarity between Op-amp positive feedback and RS flip-flop cross coupling. Further， to make the circuit reliable， it designed the related parameters by the character of uniform distribution. It adapted to the whole power supply range of LM324 for example， cut the independent power supply equipped with， saved half pin use of op-amp. Then， it reduced the power dissipation. Because it could be combined with any of high or low voltage to set and reset， it decreased the level conversion. It will provide certain reference value for the sensor application circuit.

Key words： Bistable Flip-Flop； Sensors； Operational Amplifier； Positive Feedback

在模拟信号的产生以及处理电路中，运放得到了广泛应用，通过改变运放内部结构或与外电路连接方式并设置器件参数，可降低系统功耗，提高电路性能。文[1]使用共模反馈电路避免了高环路增益引起的运放自激振荡，节约了晶体管。文[2]对互补输入端插入一个雪崩二极管，设计的高转换效率运放实现了LCD的不同灰度转换。文[3]通过电平移位，增加了电压适用范围。

触发器具有记忆功能，引起了当代的信息技术革命[4]。同样，在触发器被广泛地应用的基础上，对其内部结构和实现方式做出改进。文[8]采用三相全控桥设计数字触发器，达到了可靠性等方面优势。文[9]改变基因参数，实现动态可重构性D触发器。文[10]通过减少器件数目，降低系统功耗。

基于运放的优良性能以及触发器的记忆功能在传感器应用电路中的使用，为了使传感器应用电路的结构设计简单和性能可靠，通过对运放结构以及参数的设计，本文实现了一种基于单运放的通用双稳态触发器，已经应用到实际的传感器电路中。

1 双运放双稳态触发器

1.1 符号说明

为了叙述方便，下面对文中自定义的参数与符号进行说明：

1） V+set ：高电平触发电压。

2） V+reset ：高电平复位电压。

3） V-set ：低电平触发电压。

4） V-reset ：低电平复位电压。

5） Vhigh ：满足V+set触发或V+reset复位的高电平信号的最小值。

6） Vlow ：满足V-set触发或V-reset复位的低电平信号的最大值。

7） D-s ：防止高电平干扰低电平触发的输入端二极管。

8） D-r ：防止高电平干扰低电平复位的输入端二极管。

9） D+s ：防止低电平干扰高电平触发的输入端二极管。

10） D+r ：防止低电平干扰高电平复位的输入端二极管。

1.2 双运放双稳态触发器

RS触发器是组成其他触发器的基本单元，由两个与非门交叉耦合组成。基于该思想，图1是常用的基于双运放的双稳态触发器，使用双运放交叉耦合，实现高电平触发、低电平复位方式。

2 单运放双稳态触发器

2.1 电路设计

基于触发器的交叉耦合原理以及运放的正反馈原理，图2分别是四种不同触发与复位方式的单运放双稳态触发器。其中，图2-b是典型的施密特触发器。

在图2中，R0防止D-s拉低Vref；D0防止D+r抬高Vref。图2-c和图2-d与图2-a和图2-b的本质不同在于前者是高电平触发，后者是低电平触发。低电平触发时触发电压为V-set，由于2端电压必须低于3端电压，需要引入电阻R3提供比较电压。

综合图2的四种方式的电路设计，图3给出了包含这四种触发与复位方式的通用双稳态触发器基本单元。应用中当选取适当的触发方式V-set或V+set和复位方式V-reset或V+reset，可忽略的二极管或电阻的使用。

2.2 参数计算

通过以上分析可以看出，所涉及的电压参数的大小按由大到小顺序见表1。

（1） 电压参数计算

从表2可知，随着电源电压的增大，Vdif逐渐增大。当电源电压为3V时，Vdif为最小值0.175V，远远超过运放作为比较器时的最小压差要求，完成可靠电平翻转。

3 应用实例

3.1 功能分析

该双稳态触发器已经实际应用到某包装机厂的包装机控制电路中。采用复位传感器和预开启传感器以及启动开关完成电路驱动，其中，传感器选择低电平有效的霍尔管（3144）或常开型干簧管（MKA10110）两者中的一种。电路功能需求如下：

（1） 上电时，完成上电复位；

（2） 固定在箱盖一侧的磁铁激发预开启传感器，完成预开启；

（3） 通过启动开关完成电路开启；

（4） 考虑到安全因素，要求前两步工作必须按顺序执行，且间隔1～2秒；

（5） 当电路开启后，并且机械轮子正好转动一圈时，固定在机械轮子一侧的磁铁激发复位传感器，完成电路复位准备；

（6） 当完成电路复位准备后，磁铁离开的瞬间完成电路复位。

3.2 功能设计

根据功能需求可以得到图5所示的过程控制图，需要两个双稳态触发器，可以使用专用触发器芯片，也可以使用双运放或者单运放双稳态触发器，三者是等效的。由于功能要求（2）和（3）、传感器低电平有效以及控制顺序，预开启双稳态触发器实现的是低电平触发、高电平复位，开启双稳态触发器实现的是高电平触发、高电平复位。

若使用专用的触发器芯片，则需要设计使用3.3～5V的独立电源；若使用双运放双稳态触发器，显然只是利用了运放的输入和输出，没有充分利用运放；而使用单运放并利用运放的闭环反馈原理设计的双稳态触发器，与专用的触发器芯片相比减少了专门的独立电源的设计，与双运放双稳态触发器相比减少了一倍数量的运放的使用，而且均可以降低电路的功率消耗。

若两个双稳态触发器均使用如图2所示的4种单运放双稳态触发器中的一种，例如使用典型的施密特触发器如图2-b所示，实现的是高电平触发、低电平复位，要实现该传感器应用电路，需要增加3次电平转换过程，而通过选用设计的基于单运放的通用双稳态触发器，只需要选择合适的输入引脚和外围器件，可减少电平转换过程。

由以上分析，预开启和开启双稳态触发器均选用如图3所示的基于单运放的通用双稳态触发器，按公式（1）（2）（4）和（5），电路相关参数为：VCC=12V；Vdif=2.625V；V+out=10.5V，V3high=7.875V，Vref-VD=5.25V，V3low=2.625V，V-out=0V；Vhigh=8.575V，Vlow=1.925V。

3.3 功能实现

最终的传感器应用电路原理图如图6所示。将电路分为3个模块：传感器模块、主控模块、驱动模块。其中，H1为复位传感器，H2为预开启传感器，U3以及外围电路构成预开启双稳态触发器，U4以及外围电路构成开启双稳态触发器，LED1、LED2、LED3分别作为电源指示灯、电路预开启指示灯、电路开启指示灯。

主控模块分4部分：复位电路，完成上电复位以及电机复位功能；参考电压电路，提供参考电压Vref以及叠加的复位信号V+reset；预开启电路，完成电路准备开启任务；开启电路，在电路预开启以及启动开关闭合后，完成电路开启。

根据实际情况，在参考电压端和输入端均未使用二极管，即VD=0V。另外，为了节约器件，使用发光二极管替代相应的分压电阻，发光二极管的正向导通电压约为2V。考虑到器件参数的选择，为使电路的性能达到最优，其实际相关参数电压的调试结果为：VCC=12V；Vhigh=V3high=8.5V，Vref=6V，V3low=Vlow=3V，与理论值非常接近，具有很强的理论性和实用性。

当上电时，由于电容C1两端的电压不能跃变，刚上电时C1下端为Vcc，输入U1-3端，通过运放U2向U3-2和U4-2端输入V+reset，完成上电复位；当预开启传感器被激发后，向U3-2端输入V-set，LED2亮，完成电路预开启；电路预开启后，由于C3的储能作用，SW间隔1秒左右后闭合，C3瞬间高电平有效，向U4-3端提供瞬时有效的V+set，LED3亮，完成电路开启，继电器J闭合，进而完成电机驱动；电机启动并当机械轮子转到一圈时，激发复位传感器输出低电平，磁铁离开时，复位传感器向U1-3端输入高电平，通过C1、U1和U2向U3-2和U4-2端输出V+reset，最终完成电机复位，LED2和LED3均灭。

4 结论

本文基于单运放设计了通用双稳态触发器，适用电压范围宽，减少了冗余设计，降低了电路功耗，并且最大限度地扩大了触发与复位状态翻转的电压范围，实现了可靠性设计。实际应用结果表明，该通用的单运放双稳态触发器使得传感器应用电路得到了很好的应用。

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