CMOS施密特觸發(fā)器的設(shè)計與仿真

1、1 2V RjR21 4V RjR20 (2) CMOS施密特觸發(fā)器的設(shè)計與仿真施密特觸發(fā)器的設(shè)計與仿真 施密特觸發(fā)器的設(shè)計與仿真施密特觸發(fā)器的設(shè)計與仿真 3.用門電路組成的施密特觸發(fā)器用門電路組成的施密特觸發(fā)器 3.1 簡介門電路組成的施密特觸發(fā)器簡介門電路組成的施密特觸發(fā)器 圖6用CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路圖 2、工作原理、工作原理 假定：VTHVDD,R1R2,X 為三角波 V=-v 11RiR21 當= ，u0=0V 耳上升只要vTH電路，維持 u0=UOH不變 (4) 當耳下降，vii也下降，只要片vTH，則保持 u0=UOH 當Vii=vTH，電路產(chǎn)生如下正反饋：則 u0

2、=UOL 巧J巧衛(wèi)步丄Wit.5I Vv 尺2 V生 V (5) 11 TH R1R 2RiR DD 2 V T (1 叢)V (6) AV: =V V u2iv 冬V (7) T T T &TH 心DD 則其工作波形有如下圖7： 其中如果只R2,則可得 vT0 時，由于SiO2的存在，柵極電流為零，但是金屬層經(jīng)聚集正電荷，它們將排斥P型襯底靠近SiO2一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層，當 uGS增大時，一方面耗盡層增寬，另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一個N型薄層，稱為反型層。這個反型層就構(gòu)成了漏源之間的導電溝道， 是溝道剛剛形成的柵源電壓稱為

3、開啟電壓 UGs（th），uGS愈大，反型層愈厚，導電溝道電阻愈小。 當 uGS是大于 uGS（th）的一個確定值時，若在d一s之間加正向電壓時，則將產(chǎn)生一定的漏極電流，此時，uDS的變化對導電溝道的影響與結(jié)型場效應管相似， 即當 UDS較小時， UDS的增大使線性增大， 溝道沿源一漏方向逐漸變窄，如圖10（a）所示，一旦 uDS增大到使 uDS=UGS（th）時，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷5 點，稱為預夾斷，如圖io（b）所示，如果 uDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長，如圖10（c）所示， 而且 uDS的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對漏極電流的阻力。從外部看，4D幾乎不因 uDS的增大而變化，管子

4、進入恒流區(qū)，幾乎僅決定于 uGS。 在 uDSuGS-UGs（th）時，對應于每一個 uGS就有一個確定的你，此時, 可將視為電壓 uGS控制的電流源。 圖10UGS為大于 UGs（th）的某一值時 UDS對影響 特性曲線與電流方程 圖11所示分別為N溝道增強型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,他們之間的關(guān)系見圖中標注，與結(jié)型場效應管一樣，MOS管也有三個工作區(qū)域：可變電阻區(qū)，恒流區(qū)及夾斷區(qū)，如圖中所標注。 圖11N溝道增強型MOS管的特性曲線(a) (b) (c) P 6 42 用用 Pspice 仿真的仿真的 CMOS 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 Pspice的軟件介紹： 用于模擬電路仿

5、真的SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)軟件于1972年由美國加州大學伯克利分校的計算機輔助設(shè)計小組利用FORTRAN語言開發(fā)而成， 主要用于大規(guī)模集成電路的計算機輔助設(shè)計。SPICE的正式版SPICE2G在1975年正式推出， 但是該程序的運行環(huán)境至少為小型機。1985年，加州大學伯克利分校用C語言對SPICE軟件進行了改寫，并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標準。與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件， 在SPICE的基礎(chǔ)上做了大量實用化工作，從而使SPICE成為最為流行

6、的電子電路仿真軟件。 (1) 圖形界面友好，易學易用，操作簡單 由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得該軟件由原來單一的文本輸入方式而更新升級為輸入原理圖方式，使電路設(shè)計更加直觀形象。PSPICE6.0以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易學，利用鼠標和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計周期。即使沒有參考書， 用戶只要具備一定的英語基礎(chǔ)就可以通過實際操作很快掌握該軟件。 (2) 實用性強，仿真效果好 在PSPICE中，對元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實現(xiàn)一個復雜電路的仿真。如果用Protel等軟件進

7、行參數(shù)修改仿真，則過程十分繁瑣。在改變一個參數(shù)時，哪怕是一個電阻阻值的大小都需要重新建立網(wǎng)絡表的連接，設(shè)置其他參數(shù)更為復雜。 (3) 功能強大，集成度高 在PSPICE內(nèi)集成了許多仿真功能， 如： 直流分析、 交流分析、 噪聲分析、溫度分析等，用戶只需在所要觀察的節(jié)點放置電壓(電流)探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓(或電流)-時間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學運算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學運算，還提供了正弦、余弦、絕對值、對數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運算，這些都是其他軟件所無法比擬的。 7 另外，用戶還可以對仿真結(jié)果窗口進行編輯，如添加窗口、修改坐標、疊加圖形等，還具有保

8、存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快捷、簡便的方法。因此，Windows版本的PSPICE更優(yōu)于Dos版本的PSPICE，它不但可以輸入原理圖方式，而且也可以輸入文本方式。無疑是廣大電子電路設(shè)計師的好幫手4。 4.2.1 電路理論分析電路理論分析 電路如圖所示，主要是由M1M6組成的施密特觸發(fā)器。如果沒有M3和M6的存在，那么Ml、M2、M4、和M5僅僅是一個反相器，無論輸入信號 S從高電平降低時還是從低電平升高時轉(zhuǎn)換電平均在 Uj=VDD附近。 但是接入M3和M6以后的情況就不相同了。 設(shè)P溝道MOS管的開啟電壓為 Vtp，N溝道MOS管的開啟電壓為 Vtn。當=0

9、 時Ml、M2導通而M4、M5截止，這是顯而易見的。此刻，U0為高電平（U0UVDD），它使M3截止、M6導通并工作在源極輸出狀態(tài)。因此，M5源極的電位US5較高，US5VDD-Vtn。 在 Uj逐漸升高的過程中，當 5喑以后，M4導通。但由于US5很高，即使當U11VDD，M5仍然不會導通。 當繼續(xù)升高， 直到M1、M2的柵源電壓UGS1、UGS2減小到M1、M2趨于截止是，M1、M2的內(nèi)阻開始急劇增大， 其Pspice中電路圖如下 TiXI U匸 EE3T IRF1M 西3 IRF3- 圖12COMS集成施密特觸發(fā)器 (8) 8 ，0=2兀匕-匕-（匕_匕） (9) 從而使 U0和 uS5

10、開始下降，最終達至 Ou1-uS5Vtn,于是M5開始導通并引起 如下正反饋過程 U0fUS5fUGS5fRon5（M5的導通內(nèi)阻） 從而使M5迅速導通并進入低壓降的電阻區(qū)。與此同時，隨著 u0的下降M3導通，并使Ml、M2截止，u0下降為低電平。 因此，在 VDDVtn+Vtp的條件下，u1上升過程的轉(zhuǎn)換電平 VT+要比1VDD搞得多。而且，VDD越高 VT+也隨之升高。 同理，在 VDDVtn+Vtp的條件下，u1下降過程中的轉(zhuǎn)換電平 VT-要比 !VDD低的多，其轉(zhuǎn)換過程與UJ上升時的情況類似。 當電壓 u0非常小時，M6將會是截止，Ml、M2處導通狀態(tài)，則電流 I。的方程是 /。=2也

11、餡七）匕 這是只對管M4得出的。再對管M5有方程 圖l3COMS集成施密特觸發(fā)器 下面具體分析： 9 其中兀=0.5（叫 cj（W/J,vtn為N溝道MOS管的開啟電壓。由（8） 和（9）式可以化簡： 從式（8）和（10） V=V%5 n0W5 ，=2叫叫（叫-）y00 兀4兀5 當 V。上升時M5趨近于飽和，貝叫是定值，其值取決于MOS管則有：I。= ，0=2兀（叫一Z）（%一匕） 10) 11) 12) 2%4(vi -V)V tn，n (13) ；0=%5 從（13）和（14）可以得到 1-Vn-Vtn廠廠 14) Vn=(V0-VJ 15) 當 V0=V1-Vtn時候，則電流變?yōu)?/=

12、叫叫 0兀4兀5 V(叫-)2 16) vo=vi- 17) 則這時候M6將會導通，Vn的值也上升，則電流 1會減小。當 V。的值變?yōu)? VCv-V）14 11tn%6 此時MOS管M5會截止， 而且 1的值會變成0.此時， 電壓 vn的值將變成 V1-Vtn而且M4趨近于飽和。則MOS管M4的電流為 18) 19) 故由上面所示的式子（19）得出：%=（）2則可以得出 yyd -譏 N%6 20) 同理： 10 21) 從圖中的CMOS模型可知nMOS管全部是一個型號，pMOS管也是全部一個型號。其Pspice模型為： .modelIP.F514CPNC5(LevelsGajnitaOEel

13、td=0吐日=1ThetaOKippa=0VrcaiO +Tcs=100nUo=3O：Fhi=.fR滬10血Kq=10.15uW=1.9L=2a骯骯d趴趴 +R曲別話師RdS=44i.4KCM=2.21nFb=.3M=.5Fc=.5Cgso=S77.2p +Cgdo=3.3 Rg=.E12I5=52.23E2uVtD=2.e31Rd=l.C3：iiLCM=3.223nFb=.EMj=.5Fc=.5so=3.327n F.=13.B9Is=124E-lSN=1Zt=2BBn Insl趾ut遷正工pid=IRFC153ca3e=TO3 EB-DS-25baitcreation 圖15COMS集成施

14、密特觸發(fā)器中nMOS管的Pspice模型從上面的模型和上面的電路圖可以知道,vDD=iov，%4=%6，vtn= 2.831V，%=%，V=3.67V。 i3tp 則從上式(20)、 (21)可以得出VT和VT的理論值為： VT=6.4155V，V=3.i65V。TTT T 4.2.2 電路仿真輸出電路仿真輸出 電路輸出靜態(tài)仿真電路輸出靜態(tài)仿真 1、當將輸入電壓V1的值設(shè)為0V的時候，即輸入為低電平。 圖16當圖13電路圖加低電壓（0V）時輸出波形 11 電路輸出靜態(tài)掃描仿真電路輸出靜態(tài)掃描仿真 由Pspice對輸入電壓線性上升的靜態(tài)掃描仿真波形為： 麗免殛肖I.JSI.-W4Jb 圖形中和1

15、0V刻度線重合的是輸出電壓。等于加的 VDD，和理論值符合。 2、當將輸入電壓V1的值設(shè)為10V的時候，即輸入為高電平。 圖形中和1.8uV刻度線重合的是輸出電壓，即為低電平。 gtiam Gan.0tg A_n-a3_y=l=type: AiL*3_y=i= p .i_am canEIKK-ITSvreapDGt-口CWE-ZLC?/WOS-a-t*x-*m -tx-iu&* m口=*L*ui.LWr Fidb*W n_d.dvw Bt.1m-ulus D*.t.A.C.a1-*at.iarw 圖18對圖13電路圖仿真的參數(shù)設(shè)定可以看到輸入電壓是從0V線性上升到10V。 上圖藍色線為

16、輸入電壓的波形，其輸入初始為0V,結(jié)束為10V，紅色的線為輸出電壓 V。的波形。由上圖可看出 VT+的值大約等于6.40V,而理論值為6.4155V,和計算結(jié)果很接近。 由Pspice對輸入電壓線性下降的靜態(tài)仿真波形為： 12 圖20對圖13電路圖仿真的參數(shù)設(shè)定 可以看到輸入電壓是從10V線性下降到0V。 上圖藍色線為輸入電壓的波形，其輸入初始為10V，結(jié)束為0V,紅色的線為輸出電壓 V。的波形。 由上圖可看出 VT_的值大約等于3.05V,和計算結(jié)果3.165V也非常的接近。和理論值出現(xiàn)偏差可能是理論計算的時忽略了體效應和溝道長度調(diào)制效應。 輸出的是肉眼看的，是一個估計值，其輸出的誤差為：

17、(6.4155_6-40)/6.4155=0.24%同理 VT_誤差為3.63%。 現(xiàn)將輸入電壓換成直流偏置為5V,幅值也為5V的正弦波輸入的時候則： 圖22改換電壓后的的參數(shù)設(shè)定 從圖中可以看見輸出是瞬時，終止時間是100us，設(shè)100us是讓能多看幾個周輸出周期。13 圖25將電路中的元件改為breakout.olb庫中的 設(shè)置參數(shù)如下：【Icyh- source CYB V_V3 M_M： M_M6 NO2OSO0lOVdc N02055rrazoisooIRFISC VOLTO2O18N02O53NO2O53IB.F150 NO2a8OVOM02O53ETQ2a53IB.F15O M_

18、M1 M_M2 V_V2+5IE1Sv 5v EJO205NQ2O18NO2080tTO2O8CiIRFB140 VOHO2OSSEJ02OS3J：RF51O OVONO2O53tT0s2O59IR_F9140 11020180 2OkHZO 圖24為電路圖的輸入網(wǎng)表 溫度分析溫度分析 溫度分析是一種通用的參數(shù)掃描的功能，可以與任何一種分析類型，對 于溫度變化對電路性能的影響非常方便。為了設(shè)置元件的溫度系數(shù)，Pspice提供了一個專門的元件庫breakout.olb庫中元件的名稱為其關(guān)鍵字后加break. 波形還是一如既往的好，如上直流時候的 VT+、V 都非常的吻合。而且電路波形和理論波形非

19、常吻合。和開始輸入線性電壓時候一樣。只是由于極間電容的存在，所以出現(xiàn)了延時，但是延時很小，在接受范圍內(nèi)。其上圖中的網(wǎng)表為： 則修改后的電路圖如下： 14 從下圖中可以看出設(shè)置的溫度有-10、20、50、100、150度。設(shè)置的溫度范圍很廣，考慮使用的地域。 圖26對溫度參數(shù)的設(shè)置 圖中顯示出輸入電壓隨溫度的變化，說明溫度對輸入電壓是有一定的影響的。輸出電壓 v0在上述溫度參數(shù)下的波形： 從波形中可以看出，在溫度變化較大的情況下，電路的輸出結(jié)果相差不 大,所以電路對溫度的適應還是很好的。但是和前面在25。的時候還是有一點出入。 分析其中的原因首先有電壓先受溫度的影響,導致輸入電壓失真,再次 15

20、 當溫度變化的時候MOS管的特性會發(fā)生變化，MOS管的熱噪聲，和MOS管晶體管的歐姆區(qū)也有熱噪聲，因為柵、源、漏材料都有一定的電阻，因而產(chǎn)生噪聲。電路圖中有6個MOS管，于是當溫度不同的時候輸出波形有一定的出入。傅立葉分析傅立葉分析參數(shù)設(shè)定為： 圖29傅立葉分析的參數(shù)設(shè)定 輸出電壓的波形為: DVlWl 圖30傅立葉輸出的波形 FOURIERCOMPONENTSOFTRSNSIENIRESPONSE7(VO) DCCOMFCNENI=9.939994 -1-00 HARMONIC NO FREQUENCY (HZJ FOURIER COMPONENT NORKJkLIZED COMPONENT

21、 PHASE(DEG) NORE2kLIZED PHASEDEG) 1 lu000E+05 1.876E-06 lOOOEOO -1.65E02 0.000E+00 2 2.Q00E+05 9.315E-07 4.966E-01 -1B3E-F1708E+02 3 3.000E+05 5435E-07 2.897E-01 -1.612E+02 3.413E-F02 4 4.000E-F05 3 701E-07 1.973E-D1 -1.585E+02 5116E+02 5 5.000E+05 2.795E-07 l,490E-01 -1.617E-F02 6.759E+02 6.000E+05

22、 2.246E-07 1197E-O1 -l!.fi9E02 S.402E+02 7 7.000E+0S 2.012E-07 1.073E-01 -1石百石巴十02 1.007E+-03 Q 8.0QQE+05 1.862E-Q7 9.928E-Q2 -1.654E+02 1.175E+03 TOTAL EiSREDNICDISTORTION= 6.S37724E+O1 FERCEKT 圖31傅立葉輸出的輸出網(wǎng)表 從圖29可以看出參數(shù)，圖30則是傅立葉輸出的波形。圖31則是傅立葉輸出的網(wǎng)表。 從圖31中可以得出直流分量是9.999994V以外， 還給出了基波和2至8次諧波的幅度、相位值以及歸一

23、化的幅值、相位值。最下面一行還給出了總的諧波失真系數(shù) D=65.37724%。 v(VU) |TimeDomA-inCTrartsi| Man-LnCMx-Xo_/WnrxtCMSILaram。 I|T*ar*.*tu3*w* |Ss.-v Ei口口FvxXS.-L IILoadElia=Poiikt Itunt_Q Xxtdud.&Pi. FX-ctB3-Xl-d-DW |lOOi3ia= =ACond= =tconds 3v*Xzidiidet.iiled.fci*_=p : intirtEormat.ionri.d-E Ciicel tr1ntVAZL-I-IEIrk tQout

24、piAt S1OOCPDC 16 4.2.3 仿真結(jié)果討論仿真結(jié)果討論 從上面所示輸出圖形中的波形，其中不管是電壓值還是波形都和理論值非常地相吻合，符合預期的結(jié)果。雖然有一點小的出入，但都是在允許的范圍內(nèi)。還有由于能力有限，誤差的出現(xiàn)有可能是我在計算過程中沒有考慮周全。整體來說， 所設(shè)計的施密特觸發(fā)器具有比較好的電壓傳輸特性， 能夠用于大多數(shù)電路中。17 附錄附錄 *INCLUDINGcyh-SCHEMATIC* *sourceCYH _(V0=V0) _(V1=V1) .ENDALIASES * IRF150 IRF9140 NMOS PMOS LEVEL 3 3 L 2.000000E-06 2.000000E-06 W .3 1.9 VTO 2.831 -3.67 KP 20.530000E-06 10.150000E-06 GAMM 0 0 PHI .6 .6 V_V3 N02080010Vdc M_M4 N02053V100IRF150 M_M5 V0V1N02053N02053IRF150 M_M6 N02080V0N02053N0205