可重复触发双管单稳态电路及其应用

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。