门电路组成的微分型单稳态触发器
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门电路组成的微分型单稳态触发器
单稳态触发器的特点:
1. 电路中有一个稳态,一个暂稳态。
2. 在外来触发信号作用下,电路由稳态翻转到暂稳态。
3. 暂稳态是一个不能长期保持的状态,由于电路中RC 延时环节的作用,经过一段时间后,电路会自动返回到稳态。
暂稳态的持续时间取决于RC 电路的参数值。
单稳态触发器的这些特点被广泛地应用于脉冲波形的变换与延时中。
1、电路组成及工作原理
微分型单稳态触发器可由与非门和或非门电路组成,图1(a)、(b)分别为由与非门和或非门构成的单稳态触发器。
与基本RC 触发器不同,构成单稳态触发器的两个规律门是由RC 耦合的,由于RC 电路为微分电路的形式,故称为微分型单稳态触发器。
下面以CMOS或非门构成的单稳态触发器为例,来说明它的工作原理。
(a) 由与非门构成的微分型单稳态触发器(b) 由或非门构成的微分型单稳态触发器
图1 微分型单稳态触发器1. 没有触发信号时,电路处于一种稳态。
没有触发信号时,vⅠ为低电平。
由于门G2的输入端经电阻R 接VDD,因此vO2为低电平;G1的两个输入均为0,故输出vO1为高电平,电容两端的电压接近0V,这是电路的“稳态”。
在触发信号到来之前电路始终处于这个状态:vO1=VOH,vO2=VOL。
2. 外加触发信号,电路由稳态翻转到暂稳态。
当v1正跳变上升到Vth后,开头G1的输出vO1由高变低,经电容C 耦合,使vR为低电平,于是G2的输出vO2由低电平变为高电平。
vO2的高电平接至G1门的输入端,从而在此瞬间导致如下正反馈过程:
这样G1导通,G2截止在瞬间完成。
此时,即使触发信号vⅠ撤除(vⅠ变为低电平),由于vO2的作用,vO1仍维持低电平。
然而,电路的这种状态是不能长期保持的,故称之为暂稳态。
暂稳态时,vO1=VOL,vO2=VOH。
3. 电容充电,电路由暂稳态自动返回至稳态。
在暂稳态期间,电源经电阻R和门G1的导通工作管对电容C充电,随着充电时间的增加,vC增加,使vR上升,当vR达到阈值电压Vth 时,电路发生下述正反馈过程(设此时触发器脉冲已消逝):于是G1门快速截止,G2门很快导通,最终使电路由暂稳态返回至稳态,vO1=VOH,vO2=VOL。
暂稳态结束后,电容将通过电阻R放电,使C上的电压恢复到稳定状态时的初始值。
在整个过程中,电路各点工作波形如图2所示。
图2 微分型单稳态触发器各点工作波形
2、主要参数的计算
1. 输出脉冲宽度tW
输出脉冲宽度tW,也就是暂稳态的维持时间,可以依据vR的波形进行计算,为了计算便利,对图2的vR的波形,将触发脉冲作用的起
始时刻t1作为时间起点,τ=RC , 于是有
依据RC电路瞬态过程的分析,可得到:vR(t)=vR(∞)+[vR(0+)-vR(∞)]e-t/τ当t=tW时,vR(tW)=Vth,代入上式可求得:
当Vth=VDD/2,则tW≈0.7RC
2. 恢复时间tre
暂稳态结束后,还需要一段恢复时间,以便使电容 C 在暂稳态期间所充的电荷释放完,使电路恢复到初始状态。
一般要经过3τd(τd为放电时间常数)的时间,放电才基本结束,故tre约为3τd 。
3. 最高工作频率fmax
设触发信号v1的时间间隔为T,为了使单稳态电路能正常工作,应满意TtW+tre的条件,即最小时间间隔Tmin=tW+tre。
因此,单稳态触发器的最高工作频率为:
明显,上述关系是在作了某些近似之后得到的(例如,忽视了导通管的漏源电阻等。
),因而只能作为选择参数的初步依据,精确的参数还要通过试验调整得到。
3、电路改进
1. 如图2所示,在暂稳态结束(t=t2)瞬间,门G2的输入电压vR 达到VDD+Vth,这么高的输入电压可能损坏CMOS门。
为了避开这种现象发生,在CMOS器件内部设有爱护二极管D,如图1b中的虚线所示。
在电容C充电期间,二极管D开路。
而当t=t2时,二极管D导
通,于是vR被钳制在VDD+0.6V的电位上,(见2中的虚线所示)同时,在恢复期间,电容C 放电的时间常数τd=(R‖Rf)C(Rf为二极管D 的正向电阻),由于Rf R,因此电容放电的时间很短。
2. 当输入vⅠ的脉冲宽度tpi tW时,则在vO2变为低电平后,G1没有响应,不能形成前述的正反馈过程,使vO2 的输出边沿变缓。
因此,当输入脉冲宽度tpi很宽时,可在单稳态触发器的输入端加入Rd、Cd 组成的微分电路。
同时为了改善输出波形,可在图1中G2的输出端再加一级反相器G3,如图3所示。
图3 宽脉冲触发的单稳电路3. TTL与非门构成如图1(a)所示的单稳态电路时,由于TTL门存在输入电流,因此,为了保证单稳态时G2的输入为低电平,电阻R 要小于0.7kΩ。
假如输入端采纳Rd、Cd 微分电路时,Rd的数值应大于2kΩ,使得稳态时vD大于门G1的开门电平(VON),而CMOS门由于不存在输入电流,故不受此限制。