集成電路應用5課件

CMOS門電路施密特觸發(fā)器及其應用性能特點

在數(shù)字集成電路中，表示邏輯門電路或反相器輸入電壓和輸出電壓的關系稱為電壓傳輸特性。在輸入電壓VIn正向輸入(從0增加到VCC)和反相輸入(從VCC下降到0)的過程中,CMOS反相器的傳輸特性在同一個電壓發(fā)生轉折,特性曲線是可逆的.如圖3-22(a)所示.而且,在設計和工藝制作過程中，都盡量保證轉換電壓VT=1/2VCC.面施密特觸發(fā)器則是具有遲滯作用的一種電路結構.所謂遲滯作用,是指正向輸入電壓達到正閾值電壓VT+時傳輸特性發(fā)生轉換,但是反相輸入電壓下降到VT+時傳輸特性并不轉換,而是繼續(xù)下降到負閾值電壓VT-時才發(fā)生轉換,圖3-22(b)為CMOS施密特觸發(fā)器的傳輸特性，正負閾值電壓之差稱為遲滯電壓，以VH表示，即VH=VT+-VT-.典型的施密特觸發(fā)器，其VT+和VT-是關于Vin=1/2VCC對稱的。作為延遲滯作用的結果，施密特觸發(fā)器具有良好的抗擾度和改善脈沖沿口的作用。圖3-22CMOS反相器和施密特觸發(fā)器的傳輸特性圖3-23多諧振蕩器可見振蕩頻率和占空比取決于VT+/VT-之比,當VT+和VT-關于VCC/2對稱時,輸出波形的占空比為50%。用HC/HCT132(2輸入與非施密特觸發(fā)器)代替HC/HCT14,就組成可控多諧振蕩器,如圖3-24所示.當啟動/禁止輸入為“0”電平時，振蕩器停振;當啟動/禁止為“1”電平時,振蕩器工作。占空比可變的多諧振蕩器利用二極管的單向導電作用,給電容器提供獨立的充電和放電回路,通過改變R1和R2,就能控制振蕩器的占空比，這種電路如圖3-25所示.計算充電和放電時間的公式如下：圖3-24可控多諧振蕩器圖3-25占空比可變的多諧振蕩器改變電阻阻值，就可以達到T1=T2，使輸出波形的占空比為50%。3、正弦波至方波轉換器如圖3-26所示，與非門74HC132的一輸入端接VCC，這時它等效為一個反相器。當兩個電阻器R1和R2的阻值相等時，電阻分壓器為與非門的另一個輸入端提供VCC/2的直流偏壓，使輸入正弦的最大振幅不受限制。輸入耦合電容器從正弦波中去掉任何直流成分，在輸出端得到方波輸出信號。圖3-26正弦波至方波轉換器圖3-27單穩(wěn)態(tài)電路延遲電路我們經常用簡單的RC網(wǎng)絡來實現(xiàn)信號的延遲。但是如果使用一個大電容器,被延遲信號的上升時間和下降時間就會大大增加,出現(xiàn)振蕩和同步問題.用施密特觸發(fā)器組成的延遲電路能避免這些問題,由于它們的高輸入阻抗允許使用大電阻,因此在RC網(wǎng)絡中可以使用廉價的小容量電容器.延遲電路如圖3-29所示,在施密特觸發(fā)器的輸入端接一個RC延遲電路,用來延遲輸入脈沖的上升沿和下降沿。輸入上升沿的延遲時間td1下降沿的延遲時間td2分別為圖3-29RC延遲電路最長RC時間延遲上升沿和用最短RC時間延遲下降沿

二倍頻器如圖3-37所示，微分電路C1R1TC2R2分別接在IC1a（反相器74HC14）的輸出端和輸入端，因此當它的輸入端加入方波時，在方波上升沿和下降沿，兩個微分電路輸出的微分波形如圖3-37中波形A和B所示。二極管D1和D2選擇方波下降沿產生的微分波形，因此在輸入方波改變狀態(tài)時，C點總是負跳變脈沖，從IC1B輸出端就可得到輸入波形兩倍頻率的正脈沖，其寬度是可以調節(jié)的，由時間常數(shù)R3C3決定。圖3-37二倍頻器

負電源產生電路很多低功耗系統(tǒng)要求負電源，例如包含運算放大器和模擬開關等元件的系統(tǒng)，以便提供雙相輸出。下面就介紹由施密特觸發(fā)器74HC14組成的三種負電源產生電路。圖3-38負電源產生電路第一種負電源產年電路如圖3-38所示.在同一個集成塊內的五個反相器并聯(lián),與另一個反相器一起組成RC矩形波發(fā)生器,在圖示元件參數(shù)之下其輸出頻率約為125kHz.由電容器C2和二極管D1組成電荷泵,把振蕩器的輸出信號轉換為負電壓,工作過程是:在振蕩器輸出的正半周,二極管D1導通,將輸出電平箝位于二極管的正向壓降Vd，其值為0.7V左右。當輸出轉換到負半周時，D1上的電壓就下降到-VCC+Vd，經過二極管D2整流和電容器C3濾波后輸出負電壓。在VCC=5V的情況下，當沒有負載時輸出電壓約為-6V；當負載電流約為1mA時,輸出電壓為-4V;如果輸出電壓變?yōu)?2.5V,負載電流達到10mA是可能的,因為振蕩器輸出級由五個反相器并聯(lián),能提供較大的輸出電流.圖3-38負電源產生電路圖3-39第二種負電源產生電路由74HC14組成的第二種電源產生電路如圖3-39所示.當電源電壓為3—6V時,這個電路提供的穩(wěn)定電壓為-1—8V。圖中反相器IC1a組成多諧振蕩器,它驅動三個并聯(lián)反相器,然后再驅動二個并聯(lián)反相器.C1-C3和D1-D4組成電荷泵,它把電荷從C1轉存到C2,接著再轉存到C3.電壓逐級變負,每一級的電壓都比前一級低一個二級管壓降.在電荷轉存入C3時,輸出電壓Vout變得更負，最終使D1正偏導通，將IC1a輸入端的電壓箝位于比振蕩器正閾值低的電平。因此，IC1a起門控振量器的作用，當Vout下降到低于某一定值時其關閉，當Vout電壓上升時起振門控振蕩器。供電壓控制。圖中VIN等于74HC14的電源電壓，調節(jié)10k電位器可改變Vout。此電路能調整到大約0.5%，傳輸電流15mA。如果增多級數(shù)，并且把更多反相器并聯(lián)增加電流傳輸能力，是可能產生更大負電壓的。第三種用施密特觸發(fā)器組成的負電壓變換器如圖3-40所示。一個74HC14反相器和R、C組成振蕩器，為增加輸出電流，將另外五個反相器并聯(lián)作為振蕩器的輸出緩沖器。在緩沖器輸出波形正半周，輸出電流沿C1、D1至地，二極管D1導通，將電壓箝位于0.7V左右；在輸出波形負半周，二級管D1正端電壓跌到接近-Vcc，經二級管D2整流和電容器C2濾波后，輸出負電壓。當電源電壓Vcc=5V時，在輸出負載電流較小的應用中，輸出負電壓可達到8.5V。最大輸出電流為5～10mA。圖3-40第三種負電源產生電路倍壓發(fā)生器在圖3-40的基礎上對電路作適當?shù)淖儎?，就可以產生比電源電壓高得多的輸出電壓。圖3-41是一個產生10倍電源電壓的高壓發(fā)生器。由兩個相反器并聯(lián)作為振蕩器的輸出緩沖器，它們輸出波形的幅度接近電源電壓的幅度。考慮到二極管的損耗以及緩沖器的電壓降，實際輸出電壓為電源電壓的7～8倍。圖3-41倍壓發(fā)生器

多倍壓整流電路具有兩種輸出的防抖動電路在數(shù)字電路中，任何開關或按鍵都可能因機械觸點在閉合時要上下抖動幾次而引入干擾。這個缺點通?？捎肦S雙穩(wěn)電路來克服，但是本文表明，利用單穩(wěn)電路也能達到目的。圖3-43具有兩種輸出的防抖動電路在圖3-43的電路中，由兩個門電路組成單穩(wěn)時間為100ms的單穩(wěn)電路（按鍵的抖動時間一般為20ms）。靜止工作狀態(tài)下，反相器IC1b的輸入電平等于電源電壓，因此其輸出端為低電平。這個低電平通過R3連接到IC1a的輸入端，于是IC1a輸出高電平，C1不充電。當開關S1閉合時，R1和R3串聯(lián)，由于R1<R3，電源電壓主要降落在R3上，使IC1a的輸入端變?yōu)楦唠娖?，其輸出則變?yōu)?電平。從圖3-43的波形可以看出，由于IC1輸出電平（波形B）的負跳變，這個0電平立即通過C1接到IC1b的輸入端。該輸入端保持低電平時間由R2和C1的時間常數(shù)決定。在此期間，由于IC1b的輸出端和I