门电路组成的微分型单稳态触发器
接线图
2023年07月21日 23:07 209
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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久保持的状态，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逻辑门是由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。
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久保持的状态，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逻辑门是由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。
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(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
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一直处于这个状态： 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，开始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：
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一直处于这个状态： 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，开始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：
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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久保持的，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升高，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失）：
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升高，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失）：
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于是G1门迅速截止，G2门很快导通，最后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。
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，可以根据vR的波形进行计算，为了计算方便，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
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，可以根据vR的波形进行计算，为了计算方便，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
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根据RC电路瞬态过程的分析，可得到：
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vR(t)=vR(∞)+[vR(0+)-vR(∞)]e-t/τ |
当t=tW时，vR(tW)=Vth，代入上式可求得：
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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，应满足T>tW+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:
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，应满足T>tW+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:
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显然，上述关系是在作了某些近似之后得到的（例如,忽略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，准确的参数还要通过实验调整得到。
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。为了避免这种现象发生，在CMOS器件内部设有保护二极管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。
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。为了避免这种现象发生，在CMOS器件内部设有保护二极管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。
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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。如果输入端采用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。
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