集成電路應(yīng)用5課件

CMOS門電路施密特觸發(fā)器及其應(yīng)用性能特點(diǎn)

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(guān)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(gè)電壓發(fā)生轉(zhuǎn)折,特性曲線是可逆的.如圖3-22(a)所示.而且,在設(shè)計(jì)和工藝制作過程中，都盡量保證轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu).所謂遲滯作用,是指正向輸入電壓達(dá)到正閾值電壓VT+時(shí)傳輸特性發(fā)生轉(zhuǎn)換,但是反相輸入電壓下降到VT+時(shí)傳輸特性并不轉(zhuǎn)換,而是繼續(xù)下降到負(fù)閾值電壓VT-時(shí)才發(fā)生轉(zhuǎn)換,圖3-22(b)為CMOS施密特觸發(fā)器的傳輸特性，正負(fù)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(guān)于Vin=1/2VCC對(duì)稱的。作為延遲滯作用的結(jié)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(dāng)VT+和VT-關(guān)于VCC/2對(duì)稱時(shí),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(dāng)啟動(dòng)/禁止輸入為“0”電平時(shí)，振蕩器停振;當(dāng)啟動(dòng)/禁止為“1”電平時(shí),振蕩器工作。占空比可變的多諧振蕩器利用二極管的單向?qū)щ娮饔?給電容器提供獨(dú)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(jì)算充電和放電時(shí)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(dá)到T1=T2，使輸出波形的占空比為50%。3、正弦波至方波轉(zhuǎn)換器如圖3-26所示，與非門74HC132的一輸入端接VCC，這時(shí)它等效為一個(gè)反相器。當(dāng)兩個(gè)電阻器R1和R2的阻值相等時(shí)，電阻分壓器為與非門的另一個(gè)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(hào)。圖3-26正弦波至方波轉(zhuǎn)換器圖3-27單穩(wěn)態(tài)電路延遲電路我們經(jīng)常用簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的延遲。但是如果使用一個(gè)大電容器,被延遲信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間就會(huì)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(luò)中可以使用廉價(jià)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(gè)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(shí)間td1下降沿的延遲時(shí)間td2分別為圖3-29RC延遲電路最長(zhǎng)RC時(shí)間延遲上升沿和用最短RC時(shí)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(dāng)它的輸入端加入方波時(shí)，在方波上升沿和下降沿，兩個(gè)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(chǎn)生的微分波形，因此在輸入方波改變狀態(tài)時(shí)，C點(diǎn)總是負(fù)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(diào)節(jié)的，由時(shí)間常數(shù)R3C3決定。圖3-37二倍頻器

負(fù)電源產(chǎn)生電路很多低功耗系統(tǒng)要求負(fù)電源，例如包含運(yùn)算放大器和模擬開關(guān)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(fù)電源產(chǎn)生電路。圖3-38負(fù)電源產(chǎn)生電路第一種負(fù)電源產(chǎn)年電路如圖3-38所示.在同一個(gè)集成塊內(nèi)的五個(gè)反相器并聯(lián),與另一個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓,工作過程是:在振蕩器輸出的正半周,二極管D1導(dǎo)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(dāng)輸出轉(zhuǎn)換到負(fù)半周時(shí)，D1上的電壓就下降到-VCC+Vd，經(jīng)過二極管D2整流和電容器C3濾波后輸出負(fù)電壓。在VCC=5V的情況下，當(dāng)沒有負(fù)載時(shí)輸出電壓約為-6V；當(dāng)負(fù)載電流約為1mA時(shí),輸出電壓為-4V;如果輸出電壓變?yōu)?2.5V,負(fù)載電流達(dá)到10mA是可能的,因?yàn)檎袷幤鬏敵黾?jí)由五個(gè)反相器并聯(lián),能提供較大的輸出電流.圖3-38負(fù)電源產(chǎn)生電路圖3-39第二種負(fù)電源產(chǎn)生電路由74HC14組成的第二種電源產(chǎn)生電路如圖3-39所示.當(dāng)電源電壓為3—6V時(shí),這個(gè)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(qū)動(dòng)三個(gè)并聯(lián)反相器,然后再驅(qū)動(dòng)二個(gè)并聯(lián)反相器.C1-C3和D1-D4組成電荷泵,它把電荷從C1轉(zhuǎn)存到C2,接著再轉(zhuǎn)存到C3.電壓逐級(jí)變負(fù),每一級(jí)的電壓都比前一級(jí)低一個(gè)二級(jí)管壓降.在電荷轉(zhuǎn)存入C3時(shí),輸出電壓Vout變得更負(fù)，最終使D1正偏導(dǎo)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(dāng)Vout下降到低于某一定值時(shí)其關(guān)閉，當(dāng)Vout電壓上升時(shí)起振門控振蕩器。供電壓控制。圖中VIN等于74HC14的電源電壓，調(diào)節(jié)10k電位器可改變Vout。此電路能調(diào)整到大約0.5%，傳輸電流15mA。如果增多級(jí)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(chǎn)生更大負(fù)電壓的。第三種用施密特觸發(fā)器組成的負(fù)電壓變換器如圖3-40所示。一個(gè)74HC14反相器和R、C組成振蕩器，為增加輸出電流，將另外五個(gè)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(dǎo)通，將電壓箝位于0.7V左右；在輸出波形負(fù)半周，二級(jí)管D1正端電壓跌到接近-Vcc，經(jīng)二級(jí)管D2整流和電容器C2濾波后，輸出負(fù)電壓。當(dāng)電源電壓Vcc=5V時(shí)，在輸出負(fù)載電流較小的應(yīng)用中，輸出負(fù)電壓可達(dá)到8.5V。最大輸出電流為5～10mA。圖3-40第三種負(fù)電源產(chǎn)生電路倍壓發(fā)生器在圖3-40的基礎(chǔ)上對(duì)電路作適當(dāng)?shù)淖儎?dòng)，就可以產(chǎn)生比電源電壓高得多的輸出電壓。圖3-41是一個(gè)產(chǎn)生10倍電源電壓的高壓發(fā)生器。由兩個(gè)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?？紤]到二極管的損耗以及緩沖器的電壓降，實(shí)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(dòng)電路在數(shù)字電路中，任何開關(guān)或按鍵都可能因機(jī)械觸點(diǎn)在閉合時(shí)要上下抖動(dòng)幾次而引入干擾。這個(gè)缺點(diǎn)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(dá)到目的。圖3-43具有兩種輸出的防抖動(dòng)電路在圖3-43的電路中，由兩個(gè)門電路組成單穩(wěn)時(shí)間為100ms的單穩(wěn)電路（按鍵的抖動(dòng)時(shí)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(gè)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(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，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(fù)跳變，這個(gè)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(shí)間由R2和C1的時(shí)間常數(shù)決定。在此期間，由于IC1b的輸出端和I