沈士寧，伍涌

（廣東省903電視調(diào)頻臺(tái)，廣東中山，528403）

單穩(wěn)態(tài)電路 （monostable circuit） 是指具有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩種工作狀態(tài)的單元電路。其中，可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路在聲、光、觸摸、感應(yīng)、延時(shí)等脈沖類檢測(cè)與控制場合被廣泛應(yīng)用。無外信號(hào)觸發(fā)時(shí)，電路處于穩(wěn)態(tài)；有外信號(hào)觸發(fā)時(shí)，電路會(huì)從穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀簯B(tài)，并在經(jīng)過一段時(shí)間后，電路會(huì)自動(dòng)從暫態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)；暫態(tài)時(shí)間的長短取決于電路本身的參數(shù)，而與觸發(fā)信號(hào)作用時(shí)間的長短無關(guān)。

多數(shù)文獻(xiàn)資料介紹的單穩(wěn)態(tài)電路，以集成邏輯門、555定時(shí)器或單片專用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)為主。

本文介紹的一種分立元件雙管單穩(wěn)態(tài)電路，文獻(xiàn)資料中鮮見，可以看作是極-基耦合式單穩(wěn)態(tài)電路的變形，但元件更少，可適用于高低兩種電平的觸發(fā)；經(jīng)過大量的產(chǎn)品實(shí)踐檢驗(yàn)，成熟穩(wěn)定，運(yùn)用靈活，值得借鑒。

1 雙管單穩(wěn)態(tài)電路的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電路結(jié)構(gòu)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(guān)狀態(tài)（即飽和與截止?fàn)顟B(tài)）；對(duì)電路中的R1～R4設(shè)置不同的參數(shù)，可使電路工作于高電平觸發(fā)和低電平觸發(fā)兩種模式：

圖1 雙管單穩(wěn)態(tài)電路

■1.1 高電平觸發(fā)模式

穩(wěn)態(tài)時(shí)，Q1截止、Q2飽和導(dǎo)通；暫態(tài)時(shí)，Q2截止、Q1飽和導(dǎo)通。

R1、R4在穩(wěn)態(tài)時(shí)使Q1截止；R2在暫態(tài)時(shí)對(duì)Q1/c極限流，在穩(wěn)態(tài)時(shí)為Q2/b極提供使Q2飽和的電流；R3在穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)Q2/c極限流，在暫態(tài)時(shí)為OUT+端提供上拉電平；C1的作用是信號(hào)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(fā)時(shí)，輸出脈沖為高電平。

■1.2 低電平觸發(fā)模式

穩(wěn)態(tài)時(shí)，Q1飽和導(dǎo)通、Q2截止；暫態(tài)時(shí)，Q2飽和導(dǎo)通、Q1截止。

R1、R4在穩(wěn)態(tài)時(shí)使Q1飽和；R2在穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)Q1/c極限流時(shí)，在暫態(tài)時(shí)為Q2/b極提供使Q2飽和的電流；R3在暫態(tài)時(shí)對(duì)Q2/c極限流，在穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fā)時(shí)，輸出脈沖為低電平。

在低電平觸發(fā)模式中，由于Q1穩(wěn)態(tài)時(shí)處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，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(fā)雙管單穩(wěn)態(tài)電路

2 雙管單穩(wěn)態(tài)電路工作原理

為減少干擾，負(fù)脈沖觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路在實(shí)際應(yīng)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(shí)的原理：

■2.1 穩(wěn)態(tài)階段（無觸發(fā)階段）

Q1飽和導(dǎo)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?？梢钥闯?，若在電路IN端施以高電平，只會(huì)加深Q1的飽和深度，而不會(huì)改變電路的工作狀態(tài)。

■2.2 暫態(tài)階段（觸發(fā)響應(yīng)階段）

具體的物理過程比較復(fù)雜，可簡單描述為：當(dāng)IN端傳來一個(gè)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(dǎo)通→Q2/c極低電平→電路OUT+端低電平，此時(shí)，由于C2的作用，加強(qiáng)了Q1的“截止深度”。與此同時(shí)，VCC開始通過R1對(duì)C1充電，在將Q1/b極電壓升至導(dǎo)通電壓之前，電路將保持現(xiàn)有狀態(tài)，保持的時(shí)間就是輸出低電平脈沖的寬度。

■2.3 恢復(fù)階段（響應(yīng)結(jié)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(dāng)Q1/b極的電壓達(dá)到導(dǎo)通電壓時(shí)，物理過程同樣可簡單描述為：Q1導(dǎo)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(fù)穩(wěn)態(tài)，等待下一次觸發(fā)。

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(tài)

在暫態(tài)階段開始的時(shí)候，C2使Q1/b極瞬間變?yōu)樨?fù)壓，加速了Q1的截止，也可以說，此時(shí)的C2起到微分的作用；暫態(tài)階段持續(xù)的時(shí)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(tài)階段結(jié)束的時(shí)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(wěn)態(tài)階段開始后的一段時(shí)間，C2又起到積分的作用，不過方向是相反的；穩(wěn)態(tài)階段持續(xù)的時(shí)候，C2狀態(tài)不變。其實(shí)，所有這些動(dòng)態(tài)的過程，無非是Vcc在通過R1或R3，對(duì)C2進(jìn)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(gè)動(dòng)態(tài)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(lǐng)會(huì)和掌握模擬電路的分析和設(shè)計(jì)的基本功之一。

■2.5 輸出脈寬的計(jì)算

忽略IN端和OUT端的影響，當(dāng)觸發(fā)響應(yīng)開始后，Vcc對(duì)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(jì)算方法如下：

① 設(shè)NPN三極管飽和時(shí),be極間壓降為0.7V，ce極間壓降為0.3V；

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

③ C2兩端的暫態(tài)終止的電壓為V(T)=0.4V （不再列出推導(dǎo)過程）。

對(duì)脈寬T的計(jì)算，即為對(duì)一個(gè)電容初始電壓不為0的積分電路，計(jì)算其充電至某電壓的時(shí)間。

其中， Vc(t)— t時(shí)刻電容兩端電壓

Co — 不定積分常數(shù)

這里要指出的是，暫態(tài)的開始和結(jié)束時(shí)間都會(huì)影響輸出脈寬，而這兩個(gè)時(shí)間與三極管的導(dǎo)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間等因素相關(guān)，只是在低頻應(yīng)用時(shí)，可以將它們忽略，高頻應(yīng)用時(shí)，則必須考慮。

上述結(jié)果是理想狀態(tài)下計(jì)算出來的，在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于存在輸入輸出阻抗（大多數(shù)情況下，這個(gè)阻抗甚至是動(dòng)態(tài)的），以及其它因素，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)產(chǎn)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(duì)于高電平觸發(fā)模式而言，如圖1所示，可以看出，在觸發(fā)響應(yīng)時(shí)，Vcc對(duì)C2充電電流的通路為Vcc→R3→C2→R4//Q1/b極→地；與低電平觸發(fā)模式相比較，流經(jīng)C2的電流方向相反，與C2共同對(duì)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(jì)算，思路是一致的，不再贅述。

3 觸發(fā)靈敏度的調(diào)節(jié)

在實(shí)際應(yīng)用中，我們往往需要能方便地對(duì)單穩(wěn)態(tài)電路的響應(yīng)“靈敏度”進(jìn)行調(diào)節(jié)。

以低電平觸發(fā)模式為例。如圖2所示，我們可以看出，輸入脈沖要達(dá)到一定的“強(qiáng)度”，才可以觸發(fā)整個(gè)電路，而這個(gè)所需“強(qiáng)度”的大小，在Vcc一定時(shí)，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(hào)幅度越大），飽和越淺，靈敏度越高（即輸入信號(hào)幅度可以較?。?/p>

因此，對(duì)于觸發(fā)靈敏度的調(diào)節(jié)，經(jīng)常用以下三種方式：

（1）改變輸入信號(hào)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(yōu)于第三種方式，實(shí)踐當(dāng)中較多采用，或者組合應(yīng)用。

4 雙管單穩(wěn)態(tài)電路的靈活應(yīng)用

舉幾個(gè)常用的例子：

■4.1 電壓觸發(fā)型電路

圖1和圖2都是電流觸發(fā)型的電路，缺點(diǎn)是輸入阻抗低、靈敏度不夠高。在需要電壓驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)型電路

圖3所示的電路，一般應(yīng)用于觸發(fā)電壓信號(hào)較強(qiáng)的場合，并且不考慮電路本身對(duì)外信號(hào)的影響；它的缺點(diǎn)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(huì)對(duì)輸入信號(hào)造成較強(qiáng)干擾。

圖3 電壓觸發(fā)型雙管單穩(wěn)態(tài)電路

在Q1前端加入運(yùn)放，可以修正上述缺點(diǎn)。圖4所示電路，即為某些量產(chǎn)產(chǎn)品的實(shí)際電路。其中，IC1是價(jià)格便宜的TL431,一般用作可控精密穩(wěn)壓源；但在該電路中，將TL431等效為運(yùn)放使用,相當(dāng)于同相輸入端接輸入信號(hào)、反向輸入端接2.495V電壓源的比較器（見圖中細(xì)線框中的等效電路）。由于TL431的K端與Q1/b極的直流工作點(diǎn)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(fā)式雙管單穩(wěn)態(tài)電路

需要注意的是，與前述電路不同，該電路的靈敏度已經(jīng)不再取決于Q1的飽和深度，而取決于Vcc、Ra、Rb，即Ra、Rb對(duì)Vcc分壓后的電壓值越接近2.495V，則觸發(fā)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(dòng)調(diào)節(jié)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(fā)靈敏度隨光照強(qiáng)度的變化而變化，光照變強(qiáng)，則觸發(fā)靈敏度降低，光照變?nèi)?，則觸發(fā)靈敏度提高,有趣的是，輸出脈寬也在跟著發(fā)生變化。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，往往會(huì)給RL并聯(lián)一個(gè)電阻，以減小RL的變化范圍。

圖5 光敏靈敏度自動(dòng)調(diào)節(jié)式雙管單穩(wěn)態(tài)電路

根據(jù)這個(gè)思路，許多對(duì)各種物理量敏感的器件都可以如圖5般應(yīng)用，比如熱敏、壓敏等等。