集成電路應(yīng)用5

1、CMOS門電路施密特觸發(fā)器及其應(yīng)用1性能特點 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+時傳輸特性發(fā)生轉(zhuǎn)換,但是反相輸入電壓下降到VT+時傳輸特性并不轉(zhuǎn)換,而是繼續(xù)下降到負(fù)閾值電壓VT-時才發(fā)生轉(zhuǎn)換,圖3-22(b)為CMO

2、S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。 2圖3-22 CMOS反相器和施密特觸發(fā)器的傳輸特性 圖3-23 多諧振蕩器3應(yīng)用實例1、多諧振蕩器 由一個反相施密特觸發(fā)器（HC/HCT14）、一個電阻和一個電容組成的多諧振蕩器如圖3-23所示，這是一種結(jié)構(gòu)最簡單、包含元件數(shù)最少的振蕩器，器件的輸入和輸出管腳只有兩個。而用邏輯門組成RC振蕩器需要兩個門，輸入和輸出管腳數(shù)共有4個，安裝、焊接和連線都比施必特觸發(fā)

3、器費時。 當(dāng)反相器輸出高電平時，通過電阻R對電容器C充電；反之，當(dāng)反相器輸出低電平時，電容器放電，周而復(fù)始一形成振蕩，在輸出端得到矩形波。振蕩周期T可以表示為：4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對稱時,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/禁止輸入為“0”電平時，振蕩器停振;當(dāng)啟動/禁止為“1”電平時,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

4、如圖3-25所示.計算充電和放電時間的公式如下：圖3-24可控多諧振蕩器 圖3-25占空比可變的多諧振蕩器5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%。 63、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，這時它等效為一個反相器。當(dāng)兩個電阻器R1和R2 的阻值相等時，電阻分壓器為與非門的另一個輸入端提供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。圖3-26 正弦波至方波轉(zhuǎn)換器74、單穩(wěn)態(tài)電路在數(shù)字系統(tǒng)中，常常需產(chǎn)生一種邊沿觸發(fā)脈沖，圖3-27就是由施密特觸發(fā)器組成的上

5、升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路。輸出脈沖寬度為：上升沿觸發(fā) 下降沿觸發(fā) 8圖3-27單穩(wěn)態(tài)電路9延遲電路我們經(jīng)常用簡單的RC網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)信號的延遲。但是如果使用一個大電容器,被延遲信號的上升時間和下降時間就會大大增加,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間td1下降沿的延遲時間td2 分別為 10圖3-29 RC延遲電路最長RC時間延遲上升沿和用最短RC時間延遲下降沿

6、 11脈沖擴(kuò)展器和脈沖壓縮器在圖3-29的RC延遲電路中用一個二極管與電阻器R并聯(lián),并且將其正極接Vin,就組成圖3-31(a)的脈沖擴(kuò)展器.其工作過程是:輸入信號Vin正跳變后，二極管正向?qū)?由于其導(dǎo)通電阻比R小得多, Vin就通過二極管對電容器C充電,這就顯著地減小了充電時間常數(shù),使A點的電壓很快上升到了VT+,進(jìn)而使V0的狀態(tài)發(fā)生變化.在Vin負(fù)跳變時,二極管截止,電容器C仍然通過R放電,工作過程與延遲電路相同.脈沖擴(kuò)展器各點的波形如圖3-31(b)所示,擴(kuò)展寬度Td與延遲電路的td2相同。將脈沖擴(kuò)展器中與電阻器R并聯(lián)的二級管正、負(fù)極對調(diào)，就成為脈沖壓縮器，如圖3-32所示。在輸入脈中

7、Vin的上升沿，二極管截止，R、C元件充電過程與延遲電路完全相同。當(dāng)Vin負(fù)跳變后二極管導(dǎo)通，A點電壓經(jīng)過它迅速放電，使施密特觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。脈沖壓縮寬度Td的表示式與延遲電路的td1相同 1213二倍頻器如圖3-37所示，微分電路C1R1T C2R2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，在方波上升沿和下降沿，兩個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，C點總是負(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，由時間常數(shù)R3C3決定

8、。14圖3-37 二倍頻器 15注意：當(dāng)輸入信號占空比不是50時，輸出的2倍頻信號的間隔不是均勻的。在應(yīng)用中要注意。16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.在同一個集成塊內(nèi)的五個反相器并聯(lián),與另一個反相器一起組成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

9、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，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)載時輸出電壓約為-6V；當(dāng)負(fù)載電流約為1mA時,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,因為振蕩器輸出級由五個反相器并聯(lián),能提供較大的輸出電流.17圖3-38 負(fù)電源產(chǎn)生電路18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36V時,這個電路提供的穩(wěn)定電壓為-18V。圖中反相器IC1a組成多諧振蕩器,它驅(qū)動三個并聯(lián)反相器,然后再驅(qū)

10、動二個并聯(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.電壓逐級變負(fù),每一級的電壓都比前一級低一個二級管壓降.在電荷轉(zhuǎn)存入C3時,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其關(guān)閉，當(dāng)Vout電壓上升時起振門控振蕩器。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。 19圖3-39第二

11、種負(fù)電源產(chǎn)生電路 圖3-39第二種負(fù)電源產(chǎn)生電路20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74HC14反相器和R、C組成振蕩器，為增加輸出電流，將另外五個反相器并聯(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，二級管D1正端電壓跌到接近-Vcc，經(jīng)二級管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，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510mA。圖3-40第三種負(fù)電源產(chǎn)生電路21倍壓發(fā)生器在圖3-40的基礎(chǔ)上對電路作適當(dāng)?shù)淖儎?，就可?/p>

12、產(chǎn)生比電源電壓高得多的輸出電壓。圖3-41是一個產(chǎn)生10倍電源電壓的高壓發(fā)生器。由兩個相反器并聯(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，實際輸出電壓為電源電壓的78倍。22圖3-41 倍壓發(fā)生器 23二倍壓整流電路24多倍壓整流電路25具有兩種輸出的防抖動電路在數(shù)字電路中，任何開關(guān)或按鍵都可能因機(jī)械觸點在閉合時要上下抖動幾次而引入干擾。這個缺點通常可用RS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電路在圖3-43的電路中，由兩個門電路組成單穩(wěn)時間為100ms的單穩(wěn)電路（按鍵的抖動時間一般為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，R1和R3串聯(lián)，由于R1R3，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0電平立即通過C1接到IC1b的輸入端。該輸入端