数字电路技术题目解答第四部分共11题

  【题目10】：施密特触发器的电路结构特点与应用  

【相关知识】：施密特触发器的传输特性，CMOS门电路构成的施密特触发器电路分析，施密特触发器的应用等。

【解题方法】：施密特触发器内部存在一条正反馈支路，它利用输入电压的大小改变输出电平，当输入电压保持在一定范围内时输出处在保持状态。分析施密特触发器输出可分成四步：

        （1） 分析输入足够小时输出逻辑电平；

        （2） 分析输出足够大时输出逻辑电平；

        （3） 分析输入由足够小逐步增大时输出电平翻转所需的上限输入阀值电压；

        （4） 分析输入由足够大逐步减少时输出电平翻转所需的下限输入阀值电压。

【解答过程】：施密特触发器的典型传输特性如图1所示。施密特触发器传输特性的主要参数是翻转或触发阀值，及回差电压。

        当输入信号的电压值必须大到一定程度，即，或小到一定程度即时，施密特触发器才能改变输出电平，若输入电平落在滞回电平之间，输出电平保持不变。从这个意义上观察，施密特触发器同样具有一定的记忆功能，因此可将其归入触发器一类。

        图2是用CMOS非门电路构成的简单施密特触发器，其电路结构特点是内部存在一条正反馈支路，从而保证输出电平转换的边沿很陡。

        分析施密特触发器电路就是要确定其传输特性，并得到翻转或触发阀值。

        首先考虑(vi)电压足够低时，例，，非门A输出高电平，非门B输出低电平。

        当输入电压(vi)逐步升高，达到CMOS非门的阀值电压(vt)时开始翻转，非门A输出低电平，非门B输出高电平。翻转后，输出高电平通过电阻(r2)反馈回非门A的输入端，使(vi1)进一步增加，，正反馈过程导致输出(vo)迅速变成高电平，电平转换过程为。施密特触发器的阀值上限(vtplus)在翻转瞬间必须满足，即。

        当输入电压(vi)由足够高逐步变低时，当时开始翻转，非门A的输入变成低电平，非门B输出低电平。翻转后，输出低电平通过电阻(r2)反馈回非门A的输入端，使(vi1)进一步减小，，正反馈过程导致输出(vo)迅速变成低电平，电平转换过程为。施密特触发器的阀值下限 在翻转瞬间必须满足，即。

        施密特触发器的回差电压值为：。

        施密特触发器的主要应用有：（1）脉冲变换，将非矩形波信号变换成矩形波，如图3(a)；

        （2）脉冲整形，将上升沿或下降沿较宽的矩形波，或受到噪声干扰的矩形波整形成边沿陡而高低电平干净的矩形波，如图3(b)；（3）脉冲幅度检测，检测信号幅度超越上限或超越下限的部分，如图3(c)。（假定施密特触发器的传输特性如图1所示）

  【题目11】：如何分析CMOS门电路组成的单稳触发器？  

【相关知识】：RC定时电路充放电时间常数的计算，单稳触发电路分析。

【解题方法】：分析单稳电路时首先要确定电路的稳态电平值。判别单稳触发条件，找出定时器件，确定充放电回路，然后计算单稳脉冲宽度。

【解答过程】：分析单稳电路时首先要确定电路的稳态电平值。判别单稳触发条件，找出定时器件，确定充放电回路，然后计算单稳脉冲宽度。

        按触发方式分类，单稳触发器可分为非重发和重触发两种。非重触发单稳在暂态期间不能再次触发，重触发单稳在暂态期间可以多次重新触发。重触发单稳的主要工作原理是在每次触发开始时，对定时RC中的电容电荷初始化，消除前次触发的影响，进而保证每次触发均等效从稳态开始。非重触发和重触发的单稳时序比较如图2所示（假定上升沿触发）。

        对非重发单稳，触发脉冲1、2落在第1个单稳脉冲中间，只响应第1个触发脉冲，触发脉冲3、4、5落在第2个单稳脉冲中间，只响应第3个触发脉冲。

        对重触发单稳，触发脉冲1产生的单稳尚未结束就来了第2个触发脉冲，按重触发功能从头开始重新产生触发脉冲，因此其单稳输出的宽度比非重发单稳宽。第3、4、5三个触发脉冲产生了三次连续触发。

        基本单稳电路的主要参数有：输出暂态脉冲宽度(tw)，输出幅度(vm)，两次触发的最小时间间隔(tp)。

        图3是用CMOS门电路组成的单稳触发电路。

        分析单稳电路首先要确定稳态输出。图3稳态输出必须是低电平，这样或非门的输出才能接受输入(vi)的触发控制。当，假定输出低电平，或非门输出高电平，电容C上两端电压等于零，，，假设成立。

        当触发信号到达后，，或非门输出低电平，电容C上电压不能突变，，输出变成高电平。然后(vdd)通过R对电容C充电，如图4(a)所示，当(vi2)达到CMOS管的开启电压(vt)时暂态过程结束。

        充电过程的函数方程：

        暂态结束前瞬间。如果触发脉冲宽度宽度小于单稳脉冲宽度 ，暂态结束时触发输入，，或非门输出高电平，电容C上电压不突变，，此时CMOS非门输入端的保护电路起作用，电容C两端的电压被钳位在二极管压降处，即，然后电容C通过R向电源(vdd)放电，如图4(b)所示。当电容C上电荷放完后回到稳态初始状态。显然电容C上电荷放完的时间趋向无穷大，当时，电容C两端的电压小于0.03伏，已基本接近0。

        由上分析可得两次触发之间的最小时间间隔约为：

        图2单稳电路有一个限制条件，要求触发脉冲宽度小于单稳脉冲宽度。解除这个限制的方法是让触发脉冲通过一个微分电路，变成窄触发脉冲，如图5所示。

        图5中虚线框内是微分电路，经过微分电路后脉冲宽度稳定在左右（注意CMOS门输入端的保护电路）。