第九章脈沖波形的變換與產(chǎn)生一

第9章脈沖波形的變換與產(chǎn)生2024/4/172施密特觸發(fā)器2024/4/173施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，觸發(fā)器處于哪種工作狀態(tài)，取決于輸入信號(hào)的電平高低：當(dāng)輸入信號(hào)由低電平逐步上升到某一電平（VT+

）時(shí)，電路狀態(tài)發(fā)生一次轉(zhuǎn)換；當(dāng)輸入信號(hào)由高電平逐步下降到某一電平（VT-

）時(shí)，電路狀態(tài)又會(huì)發(fā)生一次轉(zhuǎn)換兩次狀態(tài)變換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平值是不同的特點(diǎn)施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，對(duì)于緩慢變化的信號(hào)仍然適用，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一定電壓值時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變輸入信號(hào)增加和減少時(shí)，電路有不同的閾值電壓，具有回差（滯后）的傳輸特性類型門(mén)電路組成施密特觸發(fā)器集成施密特觸發(fā)器2024/4/174門(mén)電路組成的施密特觸發(fā)器電路構(gòu)成：兩個(gè)CMOS反向器G1、G2串接分壓電阻R1、R2將輸出電壓反饋給輸入端電路分析：設(shè)Vth≈VDD/2，R1<R2，且輸入信號(hào)為三角波顯然，VI1的電平值決定著電路的狀態(tài)2024/4/175工作原理輸入信號(hào)增加時(shí)輸入從0V開(kāi)始增加，只要VI1<Vth，則電路保持VO=0V不變當(dāng)VI上升使得VI1=Vth時(shí)，使電路產(chǎn)生如下正反饋過(guò)程：

vI1

vO1

vO

電路狀態(tài)很快轉(zhuǎn)換為VO=VDD此時(shí)VI的值為施密特觸發(fā)器在輸入信號(hào)正向增加時(shí)的閾值電壓，用VT+表示，有：當(dāng)VI1>Vth時(shí)，電路維持VO=VDD不變2024/4/176工作原理輸入信號(hào)減少時(shí)VI繼續(xù)上升至最大值后開(kāi)始下降，當(dāng)VI1=Vth

，電路產(chǎn)生如下正反饋過(guò)程：

VI1

VO1

VO

這樣，電路狀態(tài)又很快轉(zhuǎn)換為VO=0V。此時(shí)VI的值為施密特觸發(fā)器在輸入信號(hào)減小時(shí)的閾值電壓，用VT-表示，有：將VDD

=2Vth

代入可得：只要滿足VI1<Vth，施密特電路就穩(wěn)定在VO0V的狀態(tài)2024/4/177工作原理由VT+和VT-表達(dá)式，我們可以求得回差電壓為：回差電壓的大小與R1/R2的比值成正比，因此改變電阻R1、R2的比值即可以調(diào)節(jié)回差電壓的大小2024/4/178集成施密特觸發(fā)器CC40106

電路由施密特電路、整形級(jí)和緩沖輸出級(jí)組成，其核心是施密特電路2024/4/179集成施密特觸發(fā)器CC40106整形級(jí)TP7、TP9、TN8、TN10組成首尾相連的反向器，其正反饋?zhàn)饔眉涌祀娐返姆D(zhuǎn)，使前后沿陡峭輸出級(jí)TP11和TN12組成的反向器，隔離負(fù)載，提高驅(qū)動(dòng)能力2024/4/1710集成施密特觸發(fā)器CC40106Vi=0，TP1和TP2導(dǎo)通，TP3截止，TN6導(dǎo)通（源極跟隨）。此時(shí)Vs5=Vo’-Vgs6=VDD-Vgs6，Vo’=高。Vi上升→TN4導(dǎo)通，TP1和TP2導(dǎo)通率降低，Vo’下降。當(dāng)Vi-Vs5>Vtn時(shí)，TN5導(dǎo)通，引起正反饋：Vo’下降→Vs5降低→TN5導(dǎo)通→Vo’下降。所以Vi>Vtn+Vs5>VDD/2（假設(shè)Vtn=VDD/2）;同樣Vi下降時(shí)，要求Vs2-Vi>Vtp，Vi<Vs2-Vtp<VDD/2（Vs2<Vdd，Vtp=VDD/2）2024/4/1711施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1波形的整形和變換波形變換把邊沿變化緩慢的周期性信號(hào)變換為矩形脈沖信號(hào)右圖：輸入信號(hào)是由直流分量和正弦分量疊加而成，只要輸入信號(hào)的幅度大于VT+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同頻率的矩形脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)不同的回差可以得到不同的占空比2024/4/1712施密特觸發(fā)器的應(yīng)用波形的整形和變換波形整形：矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變：傳輸線上電容較大時(shí)，波形前后沿變壞傳輸線較長(zhǎng)時(shí)，阻抗不匹配產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象其它脈沖信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線之間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號(hào)上2024/4/1713施密特觸發(fā)器的應(yīng)用波形的整形和變換利用回差電壓抗干擾前沿上的噪聲與干擾信號(hào)頂部的干擾（a）具有頂部干擾的輸入信號(hào)（b）回差電壓小時(shí)的輸出波形（c）回差電壓大于頂部干擾的輸出波形2024/4/1714施密特觸發(fā)器的應(yīng)用幅度鑒別只有幅度大于VT+的脈沖才會(huì)輸出信號(hào)2024/4/1715多諧振蕩器2024/4/1716多諧振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩電路該電路在接通電源后，無(wú)需外接觸發(fā)信號(hào)就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形脈沖波或方波，由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習(xí)慣上又把矩形波/方波振蕩器叫做多諧振蕩器同樣由于多諧振蕩器在工作過(guò)程中不存在穩(wěn)定狀態(tài)，故又被稱為無(wú)穩(wěn)態(tài)電路分類：門(mén)電路組成的多諧振蕩器對(duì)稱式多諧振蕩器非對(duì)稱式多諧振蕩器環(huán)形振蕩器石英晶體振蕩器用施密特觸發(fā)器組成多諧振蕩器2024/4/1717門(mén)電路組成的多諧振蕩器電路特點(diǎn)：電路中有開(kāi)關(guān)器件，用以產(chǎn)生高、低電平電路中存在著正反饋網(wǎng)絡(luò)（例如偶數(shù)個(gè)反相器），將輸出電壓恰當(dāng)?shù)胤答伣o開(kāi)關(guān)器件，使之改變輸出狀態(tài)電路中要有延時(shí)環(huán)節(jié)，以獲得所需要的振蕩頻率2024/4/1718工作原理電路初始狀態(tài)（t=0）：VC=0,VI=VO2=VOL,VO1=VOH,G1的TN截止TP導(dǎo)通、G2的TN導(dǎo)通TP截止，多諧振蕩器的第一暫穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)過(guò)程：VDD通過(guò)G1的TP管,R和G2的TN管向電容C充電VC

，即VI

；當(dāng)VI=Vth

時(shí)，電路發(fā)生正反饋：

VI

VO1

VO2

導(dǎo)致VO2迅速變高第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的過(guò)程2024/4/1719工作原理電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)瞬間VO2(0VDD)，VI

VO2=VDD,VI=VDD+Vth,VO1=0,G1-TN導(dǎo)通、G2-TP導(dǎo)通，多諧振蕩器的第二暫穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)過(guò)程：電容C通過(guò)G2的TP管,R和G1的TN管放電（反充電），使VI

當(dāng)VI=Vth時(shí)，電路又發(fā)生正反饋：

VI

VO1

VO2

導(dǎo)致電路再次翻轉(zhuǎn)第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的過(guò)程2024/4/1720（1）T1的計(jì)算VI(t1)=VI(0)

0,VI(

)=VDD,=RC（2）T2的計(jì)算VI(t2)=VDD+?V+

VDD,VI(

)=0,=RC（3）振蕩周期代入Vth=VDD/2，有：振蕩周期與VDD和Vth有關(guān)，因而與電源電壓的穩(wěn)定性和器件的溫度特性相關(guān)，另外還與電路的噪聲特性相關(guān)。因此，其頻率穩(wěn)定性相對(duì)較差。振蕩周期的計(jì)算2024/4/1721加補(bǔ)償電阻的多諧振蕩器加補(bǔ)償電阻的CMOS多諧振蕩器2024/4/1722用施密特觸發(fā)器構(gòu)成振蕩器Vt+Vt-VohVolT1T22024/4/1723石英晶體振蕩器石英又稱水晶(quartz)，化學(xué)成分為二氧化硅(SiO2)，天然含量極為豐富，而且人工水晶技術(shù)成熟，取材容易價(jià)格便宜天然水晶較人工水晶具有較高的品質(zhì)因子(Q值)和較好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性石英晶體振蕩器的工作原理是利用石英的壓電效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生循環(huán)的芯片振蕩石英晶體具有一個(gè)極其穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs，偏離這頻率晶體的阻抗將迅速增大石英晶體的等效電路可以用一個(gè)四元件雙端口網(wǎng)絡(luò)表示，即LC串聯(lián)諧振電路Lg、Cg和Rg分別為石英晶體的動(dòng)態(tài)電感，動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻，C0為晶體的靜態(tài)電容Lg、Cg的大小主要取決于石英晶體的質(zhì)量和彈性，Rg主要取決于石英晶體的切型，幾何尺寸，表面光潔度和安裝結(jié)構(gòu)2024/4/1724石英晶體的等效電路中，電路的右支路的Lg、Cg和Rg可以構(gòu)成了一個(gè)串聯(lián)諧振電路其等效阻抗為：諧振發(fā)生時(shí)，電路呈純電阻特性，為最小值。有：ZS=Rg，且

Lg=1/(Cg)，由此可得到其串聯(lián)諧振頻率：

串聯(lián)諧振頻率石英晶體的等效電路2024/4/1725石英晶體振蕩器電路石英晶體振蕩器電路

石英晶體具有一個(gè)極其穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs。將一個(gè)石英晶體串入一個(gè)兩極正反饋的反饋支路中時(shí)，因?yàn)檎答伒拇嬖谑沟秒娐酚兄焖俚纳仙拖陆笛兀哉答侂娐酚兄S富的諧波頻率成分。但只有頻率為f