第6章脉冲产生与整形电路-60页文档资料

2. CMOS集成门电路构成的多谐振荡器 (1) 电路的组成
图中R的选择应使G1工作 在电压传输特性曲线的转折
区。
此 时 ， 由 于 uO1 即 为 uI2, G2也工作在电压传输特性曲 线的转折区。
(a)电路图 (b)传输特性曲线
(2) 工作原理
a. 若uI有正向扰动，必然引起下述正反馈过程
uI
第6章 脉冲的产生与整形电路
6.1 概述 6.2 施密特触发器 6.3 单稳态触发器 6.4 多谐振荡器 6.5 555定时器及其应用
6.1 概 述
数字电路中，为了控制和协调整个系统的工作，常常 需要时钟脉冲信号。 获得时钟脉冲的方法有：
1. 利用多谐振荡器直接产生。 2. 通过整形电路变换而成。 整形电路又分为两类：施密特触发器和单稳态触发器。
uO与uI比较，除延迟tpd外，两者反相。 环形振荡器的工作波形
uI
tpd
uO
c. uO再经过两个非门总共2tpd时延之 后，得uF 波形。
uI
若uI的周期为6tpd，则uI与uF波形
同相。
uO
环形振荡器的工作波形
tpd
此时, 若把uF直接作为uI时，电路就 uF
2tpd
可以自激。
(3) 振荡周期
Td=Tw+Tre
fmax= 1 Td
6.3.2、 积分型单稳态触发器
图 6.3.3 为 由 TTL 与 非 门 、 反相器及RC积分电路构成的积 分型单稳态触发器。用于正脉 冲触发。
a.无触发信号时，电路处于稳态 当vI＝0时，输出电压vo＝VOH为高电平, vo1＝VOH， vo1通过R很快给电容C充 电到vA＝VOH（R值比较小）
补充微积分电路
微分电路（高通滤波电路）输出电压与电流成微分关系
三 要 素 ： v C (t) v C ( ) [v C (0 ) v C ( )]e t
vI
+
+
vI
C R vO
0
vO
VIM
t
-
-
0
t
v O (t) v O ( ) [v O (0 ) v O ( )e ] t V IM e R t C
稳态
电容放电
暂态
图6.3.4
C放电回路
输出的脉冲宽度为
tW(RR0)ClnV VO O－ － L LV VO TH H
图6.3.4
6.4 多谐振荡器
多谐振荡器是一种无稳态电路，它在接通电源以后，不需 外加触发信号，就能自动地不断来回翻转，产生矩形脉冲。
由于输出的矩形波中含有很多谐波分量，故通常将它称 为多谐振荡器，又称方波发生器。
图 6.3.1 是 由 CMOS 门 电路G1、 G2和Rd、Cd 微分电路构成的单稳 态触发器。
图6.3.1
设VOH≈ VDD， VOL≈ 0，且CMOS门的转折电压为VTH≈ VDD=0
在稳态下vI=0， vI2=VDD， 故vo=0， vo1=VDD，电容C 两端无电压， vc=0
能把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲。 输入电压上升的翻转电平为上限阈值电平UT+ 输入电压下降的翻转电平为下限阈值电平UT UT= UT+- UT-称为回差电压
2. 施密特触发器的传输特性
输入和输出为反相关系的称为反相施密特触发器 输入和输出为同相关系的称为同相施密特触发器
6.2.1 门电路构成的施密特触发器
振荡器的振荡周期取决于tpd及环路中非门的个数。
图示电路的振荡频率为 T 6tpd
同理若将任何大于、等于3的奇数个反相器首尾相联成环形电路，都 你能产生自激振荡，且周期为
T 2ntpd
(4) 电路特点 a. TTL非门的tpd约为几十纳秒，自激振荡的频率较高。 b. 振荡频率无法调节。
为了降低振荡频率，通常在环形通路中串入RC延时环节。
' I
也上升，且有
u
' I
uI R2 /(R1+R2)
当uI增加到使
u
' I
=
UT时，产生如下正反馈过程:
u
' I
u
' O
uO
在极短时间内，电路翻转为uO VDD。此时由
u
' I
= UT+R2 /( R1+R2)= UT
可求得电路的上限阈值电压
UT+= (1+R1/R2) UT
同理，uI = VDD时，uO VDD
6.5 555定时器及其应用
555定时器是一种中规模集成电路，目前在仪器、仪表和自 动化控制装置中应用很广。
555定时器可以组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。
整形电路可以使脉冲的边沿变陡峭，或形成规定的矩形脉冲。
表述矩形脉冲性能指标的主要参数：
tr
tf
0.9Um
0.5Um
Um
0.1Um
Tw T
周期T——周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲间的 时间间隔
频率f = 1/T， 代表单位时间内脉冲重复的次数。
tr
tf
0.9Um
0.5Um
Um
0.1Um
Tw T
暂态
图6.3.2
c.电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态
电源VDD通过R和G1门的输出 电路给电容C充电 随着vI2的增加，当增加 到vI2＝VTH，产生另一 正反馈，即
C充电
vI 2
vo
vo1
此时vo1和vI2迅速跳变为高电平，电路马 上翻为稳态，即 vo＝0
图6.3.2
此时电容C通过R和G2门的输入保护电路 很快放电，直到电容电压为0，电路恢复 到稳态。
b.当有正脉冲输入后，电路进入暂稳态 当vI由低电平转为高电平时， vo1＝VOL。由于电容不能突变， vA仍保持高电 平，使得输出vo＝VOL为低电平，电路进入暂态过程，此时电容C放电
其输出波形如图6.3.4所示
c.电容放电，电路回到稳 态
随着电容C的放电，vA下降 到G2门的开启电压VTH时，输出 翻转为高电平，回到稳定状态 （“1”）。当vI回到低电平后， vo1 重 新 为 高 电 平 ， 并 向 电 容 C 充电。
uO1
uO2
使uO1迅速变成低电平，而uO2迅速变成高电平，电路进入第一暂稳态。
此时，电容C通过R到uO1放电，进而通过uO2反向充电。 b. 随着电容C的放电，uI不断下降，当达到uI=UT(VDD/2)时,电路又经历另
一个正反馈过程 uI
uO1
uO2
从而使uO1迅速变成高电平，uO2迅速变成低电平，电路进入第二暂稳态。 同时，电容C通过uO1、R、C和uO2充电。
当微分电路输入方波信号时，输出波形应如何？ 设RC＜＜TW
vI
tW
0
t
vO
0
t
积分电路
vI
+ vI
+ R
C vO
0
vO
-
-
0
VIM
t
VIM
t
v O (t) V O ( ) [ V O (0 ) V O ( )e ]t V IM ( 1 e R t )C
6.3.1 微分型单稳态触发器
6.3 单稳态触发器
单稳态触发器的特点： 1. 单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态。 2. 在触发脉冲的作用下，单稳态触发器从稳态翻转到暂稳态， 经过时间tw后又自动翻回稳态，并在输出端产一个宽度为tw 的矩形脉冲。
暂稳态的时间取决于电路本身的参数，与触发脉冲的 宽度无关。
3. 单稳态触发器常用于数字系统的整形、延时和定时电路中。
1. CMOS非门电路构成的施密特触发器
R2
R1
u
' O
uI
1
u
' I
G1
1
G2
uO
u
' O
设UT≈VDD/2，且R1<R2
2. 施密特触发器的工作原理
R2
R1
u
' O
uI
u
' I
1
G1
1
G2
uO
u
' O
uI的波形图
uI
UT+
UT–
O
t
(1)
当uI = 0时，有
u
' O
VDD，uO 0
随着uI上升，u
C放电电路
C放电
图6.3.2
参数计算 1、输出的脉冲宽度为
tw

RC
ln
V( ) V(0) V( ) V(t)
RC ln V DD 0 V DD V TH
RC ln 2
2.恢复时间Tre Tre≈（3～5）RC
3.最高工作效率fmax
在暂稳态期间Tw和恢复时间Tre内，电路不得响应触发信号。因此， 2个触发信号之间的最小时间间隔为：
由电抗频率特性可知，当外 加电压频率为fo 时，其阻抗最 小，此频率的信号最易通过， 其他频率被衰减，故振荡器 的工作再频率fo处。
图为对称式石英晶体多谐振 荡器
由于振荡器的频率只取决于石英晶体的固有频率fo，与外接电容、电阻 和门电路的阈值电压无关，其固有频率fo是由石英晶体本身特性决定，故石 英晶体多谐振荡器的频率稳定性极高，到达10-10～10-11。目前石英晶体已被 制成标准化和系列化出售。
一种变换波形图
由 于施 密 特电路状态 uI
转换速度极快，输出矩形
VDD
UT+
波的前后沿总是很陡峭。 UT–
O
t
利用这一特点，施密 uO
VDD