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施密特触发器

10.9 施密特触发器

    施密特触发器不同于前述的各类触发器,它具有以下特点:
    1. 施密特触发器属于电平触发,对于缓慢变化的信号仍然适用,当输入信号达到某一定电压值时,输出电压会发生突变。
    2. 输入信号增加和减少时,电路有不同的阈值电压,它具有如图10.9.1所示的传输特性。


    10.9.1  CMOS门电路组成的施密特触发器
    由CMOS门组成的施密特触发器如图10.9.2所示。电路中两个CMOS反相器串联,分压电阻R1R2将输出端的电压反馈到输入端对电路产生影响。


        (a)逻辑电路              (b)逻辑符号
图10.9.1 施密特电路的传输特性
图10.9.2 CMOS反相器组成的施密特触发器
    假定电路中CMOS反相器的阈值电压VthVDD/2,R1< R2,且输入信号vI为三角波,下面分析电路的工作过程。
    由电路不难看出,G1门的输入电平vⅠ1决定着电路的状态,根据叠加原理有:

  v=0V时,G1门截止,G2门导通,输出端vO=0V。此时vⅠ1≈0V。输入从0V电压逐渐增加,只要vⅠ1< Vth,则电路保持vO=0V不变。当v上升使得vⅠ1=Vth时,使电路产生如下正反馈过程:
    这样,电路状态很快转换为vO≈VDD, 此时V的值即为施密特触发器在输入信号正向增加时的阈值电压,称为正向阈值电压,用VT+表示。即由式
    得
    所以
    vⅠ1>Vth时,电路状态维持vO=VDD不变。v继续上升至最大值后开始下降,当vⅠ1=Vth时,电路产生如下正反馈过程:
    这样电路又迅速转换为vO≈0V的状态,此时的输入电平为v减小时的阈值电压,称为负向阈值电压,用VT+表示。根据式
    此时有
    将VDD=2Vth代入可得
    只要满足v< VT-,施密特电路就稳定在vO≈0V的状态。由式和式可求得回差电压为
ΔVT=VT+-VT-
    上式表明,回差电压的大小可以改变R1R2的比值来调节。电路工作波形及传输特性如图10.9.3 所示。
    图10.9.3 施密特触发器工作波形及传输特性
    施密特反向器

    10.9.2  用TTL门构成的施密特触发器
    图10.9.4所示为用两个TTL门构成的施密特触发器电路。图中 G1为与非门,G2为反相器,v通过电阻R1R2来控制门的状态。因为R1R2值不能取很大,因此串接二极管D,防止vO=VOH时,G2的负载电流
过大。
图10.9.4 两级TTL门构成的施密特触发器
    当输入v=0时,门G1截止,vO=VOH;门G2导通,输出vO=VOL。当v逐步上升,使二极管D导通,则:
    式中,VD为二极管D导通压降,VOL≈0.3V≈0V.当v1上升到Vth时,由于G1另一输入端v1'仍低于Vth,电路状态不变。当v逐步上升至使v1Vth(Vth为TTL门阈值电平)时,门G1将由截止转为导通;门G2由导通转为截止,vO=VOH,触发器发生一次翻转。此时v为上限触发电平,如果忽略v1'=Vth时G1的输入电流,则可得到
    故得
    只要输入v>VT+,触发器就处于输出 vO=VOH的稳定状态。
    当输入v逐步下降时,只要vVth,门G1将由导通转为截止,vO=VOH;门G2由截止转为导通,vO=VOL,触发器再次发生翻转,此时v为下限触发电平VT-=Vth,因此,电路的回差电压
     调整电阻R1R2得分压值,可以改变回差大小。其工作波形如图10.9.3所示。

    10.9.3 集成施密特触发器
     在集成门电路中,带有施密特触发器输入的反相器和与非门,如施密特CMOS六反相器CC40106,施密特TTL四输入双与非门CT5413/CT7413等。集成施密特触发器性能稳定,应用广泛,下面以CMOS集成施密特触发器CC40106为例介绍其工作原理。

    图10.9.5 CMOS集成施密特触发器电路 (a) 电路图 (b) 逻辑符号 (c) 传输特性曲线
    由图10.9.5(a)可见,它由施密特电路、整形及和缓冲输出级组成。
     1.施密特电路
    施密特电路由P沟道MOS管TP1~TP3、N沟道MOS管TN4~TN6组成,设P沟道MOS管的开启电压VGSVTP,N沟道MOS管开启电压VGSVTN,输入信号v为三角波。
    当v=0时,TP1、TP2导通,TN4、TN5截止,电路中vO为高电平(vOVDD),TP9截止,TN10导通,v"为低电平,使TP11导通,TN12截止,vO=VOHv0"使TP7导通,TN8截止,维持vOVDD,vO'的高电平同时使Tp3截止,TN6导通且工作于源极输出状态。即TN5的源极TN4的漏极电位vS5VDD-VTN6,该电位较高。
    v电位逐渐升高,当v>VTN4时,TN4先导通,由于TN5其源极电压vS5较大,即使v>VDD/2,TN5仍不能导通,直至v继续升高直至TP1、TP2趋于截止时,随着其内阻增大,vOvS5才开始相应减少。
v-VS5VTN5时,TN5导通,并引起如下正反馈过程:
    于是TP1、TP2迅速截止,vO为低电平,电路输出状态转换为vO=0。
     vO的低电平使TN6截止,TP3导通且工作于源极输出器状态,TP2的源极电压vS2≈0-VTP
    同理可分析,当v逐渐下降时,电路工作过程与v上升过程类似,只有当│v-vS2│>│VTP│时,电路又转换为vO为高电平,vO=VOH的状态。
    在VDD>>VTN +│VTP│的条件下,电路的正向阈值电压VT+远大于VDD/2,且随着VDD增加而增加。在v下降过程中的负向阈值电压VT-也要比VDD/2低得多。
    由上述分析可知,电路在v上升和下降过程分别有不同的两个阈值电压,具有施密特电压传输特性。其传输特性如图10.9.3所示。
    2.整形级

    整形级由TP7、TP8、TP9、T10组成,电路为两个首尾相连的反相器。在vO上升和下降过程中,利用两级反相器的正反馈作用可使输出波形有陡直的上升沿和下降沿。
    
3.输出级
    输出级为TP11和TN12组成的反相器,它不仅能起到与负载隔离的作用,而且提高了电路带负载能力。
    图10.9.6所示为4输入与非门(TTL)电路,图中D1~D4构成四输入二极管与门,T1、T2构成射级耦合双稳态触发器(施密特触发器),T3、D5是射级跟随器,完成电平转移,T4、T5、T6构成推拉式输出电路。

图10.9.6 四输入与非门施密特电路图