数字电路逻辑设计课件：10-2.PPT

1、10.2集成门构成的脉冲单元电路10.2.110.2.1施密特触发器施密特触发器10.2.210.2.2单稳态触发器单稳态触发器10.2.310.2.3多谐振荡器多谐振荡器vIR111G1G2vOvOvIR2图10- -2- -1 两级CMOS反相器构成施密特触发器10.2.110.2.1施密特触发器施密特触发器用两级用两级CMOS反相器构成的施密特触发器反相器构成的施密特触发器器器的的第第一一种种稳稳定定状状态态。这这是是施施密密特特触触发发导导通通，截截止止，时时，当当0G,G0O2DDO1I vVvv的的稳稳定定状状态态。持持在在，电电路路保保也也升升高高，只只要要逐逐步步上上升升时时，

2、当当0OGS(th)IIII212 vVvvvvRRRGS(th)GS(th)TIDDO21GS(th)II)1(GG21221VVVvVvVvvRRRRR 限触发电平限触发电平值为施密特触发器的上值为施密特触发器的上稳定状态。此时，稳定状态。此时，密特触发器进入第二种密特触发器进入第二种发器状态发生翻转，施发器状态发生翻转，施，触，触截止，截止，导通，导通，时，时，上升使上升使当当下降而减小。下降而减小。随随由最大值下降，则由最大值下降，则的稳定状态。若的稳定状态。若，电路就稳定在，电路就稳定在只要满足只要满足IIIDDIIDDOTI211)(vvvVvvVvVvRRR vOvIVTVT+V

3、GS(th)2 VGS(th)R1R2图10- -2- -2 施密特触发器 电压传输特性GS(th)21TTTT2)(VRRVVVV ，迟滞特性迟滞特性的差值称为回差电压的差值称为回差电压、下限触发电平、下限触发电平施密特触发器的上施密特触发器的上的状态。的状态。，触发器就稳定在，触发器就稳定在只要满足只要满足，则，则，若，若限触发电平限触发电平值为施密特触发器的下值为施密特触发器的下态。此时的态。此时的第一种稳定状第一种稳定状时，电路发生翻转回到时，电路发生翻转回到下降使下降使当当0)1(OTIGS(th)TDD21GS(th)DDGS(th)TIGS(th)II2121221 vVvVVV

4、VVVVvVvvRRRRRRRvIR11G1G2vOvOvIR2图10- -2- -3 两级TTL门构成的施密特触发器&D用用TTL门构成的施密特触发器门构成的施密特触发器次次翻翻转转。，触触发发器器发发生生一一转转为为截截止止，转转为为导导通通，时时，通通，当当导导的的上上升升，使使得得二二极极管管随随着着。导导通通，截截止止，时时，当当OHO21thIIOLO2OHO1IGGDG,G0VvVvvVvVvv 的稳定状态。的稳定状态。，触发器就处于输出，触发器就处于输出。只要。只要值称为上限触发电平，值称为上限触发电平，此时的此时的OHOTIDthTI221VvVvVVVvRRR DthTTT

5、21VVVVVRR 电路的回差为电路的回差为。值为下限触发电平，值为下限触发电平，时时，此，此转，转，时，触发器再次发生翻时，触发器再次发生翻下降且下降且当当thTIOLOthIIVVvVvVvv 图10- -2- -4 CMOS集成施密特触发器电路TP2TN1vITP1TN2TP3vOTN3VDDTP4TN5TP5TN6vO vO VDDTP6施密特触发器施密特触发器整形整形(a)缓冲输出缓冲输出vIvO (b)1集成施密特触发器集成施密特触发器图中图中TP4、TP5及及TN4、TN5构成两个首尾相连的反相器，用构成两个首尾相连的反相器，用来改善输出波形来改善输出波形(整形整形)；TP6和和

6、TN6组成输出缓冲级，以提高电路组成输出缓冲级，以提高电路的带负载能力，同时起隔离作用。的带负载能力，同时起隔离作用。VCCT1T2vOT3vO vOD1D4D3T4T5D6T6vO图10- -2- -5 4输入与非门施密特电路4输入输入与与非门施密特电路：非门施密特电路：4输入二极管输入二极管与与门门射极耦合双稳态射极耦合双稳态(施密特施密特)触发器触发器射极跟随器，完成电平转移射极跟随器，完成电平转移推拉式输出电路推拉式输出电路参数名称参数名称VDD/ /V最小值最小值/ /V最大值最大值/ /VVT510152.24.66.83.67.110.8VT510150.31.21.61.63.

7、45.0表10- -2- -1 CC40106阈值数值参数参数CT5413/7413CT5414/7414CT54LS132/74LS132最小值最小值/ /V最大值最大值/ /V最小值最小值/ /V最大值最大值/ /V最小值最小值/ /V最大值最大值/ /VVT1.521.521.42VT0.61.10.61.10.51表10- -2- -2 TTL施密特触发器阈值数值集成施密特触发器上、下限触发器电平典型数值：集成施密特触发器上、下限触发器电平典型数值：vItOvOtOVTVT图10- -2- -6 用施密特触发器实现波形变换施密特触发器的应用施密特触发器的应用(1) 波形变换波形变换将输

8、入的正弦波、三角波、锯齿波等变换成矩形波输出。将输入的正弦波、三角波、锯齿波等变换成矩形波输出。vItOvOtOVTVT图10- -2- -7 用施密特触发器实现波形整形(a)vItOvOtOVTVT(b)vItOvOtOVTVT(c)(2) 脉冲整形脉冲整形当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变，可通过施密当矩形脉冲经过传输后因以下原因发生畸变，可通过施密特触发器的整形获得满意的矩形脉冲波形。特触发器的整形获得满意的矩形脉冲波形。(a) 传输线上电容较大，波形的上升和下降沿变坏；传输线上电容较大，波形的上升和下降沿变坏；(b) 阻抗不匹配，波形的上升沿和下降沿产生振荡；阻抗不匹配，波形的上升

9、沿和下降沿产生振荡；(c) 受到干扰，脉冲波形上叠加有噪声。受到干扰，脉冲波形上叠加有噪声。图10- -2- -8 用施密特触发器实现脉冲鉴幅vItOvOtOVTVT(3) 脉冲鉴幅脉冲鉴幅只有当输入脉冲信号的幅度大于施密特触发器上限触发电只有当输入脉冲信号的幅度大于施密特触发器上限触发电平时，在输出端才产生输出信号。平时，在输出端才产生输出信号。10.2.210.2.2单稳态触发器单稳态触发器单稳态触发器具有单稳态触发器具有稳态稳态和和暂态暂态两个不同的工作状态。在外两个不同的工作状态。在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转为暂稳态，维持一段时间后，界触发脉冲作用下，能从稳态翻转为暂稳态，维持一

10、段时间后，电路又能自动地翻转为稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电电路又能自动地翻转为稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与外界触发脉冲无关。路本身的参数，与外界触发脉冲无关。集成门构成的单稳态触发器集成门构成的单稳态触发器根据维持暂态的根据维持暂态的RC定时电路的不同接法，单稳态触发器可定时电路的不同接法，单稳态触发器可以分为以分为微分型微分型和和积分型积分型两大类。两大类。(1) 微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF 330图10- -2- -9 微分型单稳态触发器 及其工作波形反馈线反馈线输入端微分电路输入端微分电

11、路微分型定时电路微分型定时电路&(a)G2G1Cv2RRivO1vO2v1vICi5100pF 330图10- -2- -9 微分型单稳态触发器 及其工作波形vIv1vO1vO2v2(b)3.6V0.3V0.3V1.4V3.6V0.3V3.6V0.3V1.4V- -1.5V3.6V0.3Vtw反馈线反馈线(a) 0t1为稳定状态。为稳定状态。输入端无输入信号触发或触发输入端无输入信号触发或触发输入为高电平。当选取输入为高电平。当选取Ri大于大于3.2k时，使时，使vI高于开门电平，高于开门电平，vO1=0.3V；选取选取R小于小于0.9k，使，使v2低于关门电低于关门电平，平，vO2=3.6V

12、。触发器处于稳定状态。触发器处于稳定状态（vO1=VOL，vO2=VOH ）。）。0t1t2当当t=t1时，输入端时，输入端vI下跳变，下跳变，v1产生一个负尖峰脉冲，产生一个负尖峰脉冲，vO1上跳至高上跳至高电平，电平，v2随之跳变为高电平，使随之跳变为高电平，使vO2为低电平，触发器受触发发生一次为低电平，触发器受触发发生一次翻转，从而进入暂稳态（翻转，从而进入暂稳态（vO1=VOL，vO2=VOH）。）。Cv2RvO1图10- -2- -10 电容充电等效电路RO3.6Vi(b) t1t2暂态过程。暂态过程。触发器进入暂稳态后，输出低电平通过反馈线维持触发器进入暂稳态后，输出低电平通过反

13、馈线维持G1继续继续关闭。同时，电容关闭。同时，电容C充电，充电，v2(t)电压下降。当电压下降。当t=t2时，时，v2=Vth，G2关闭，输出关闭，输出vO2上跳至高电平，上跳至高电平，G1转为开态，触发器转为开态，触发器自动翻转一自动翻转一次次，回到初始稳定状态（，回到初始稳定状态（vO1=VOL，vO2=VOH） 。G1的输出电阻的输出电阻t1至至t2的时间称为的时间称为暂态时间暂态时间，其，其长短取决于长短取决于RC的充电速度，因此的充电速度，因此RC称为称为定时电路定时电路，由它决定输出，由它决定输出vO1和和vO2的宽度。暂态时间通常近似估计的宽度。暂态时间通常近似估计为为CRRt

14、)(7 . 0OW (c) tt2电路的恢复过程。电路的恢复过程。Cv2RvO1图10- -2- -11 电容放电等效电路RO0.3VR1VCCG2&G2G1CRRivICi图10- -2- -12 带有射极跟随器的 单稳态触发器VCCRETv2由由Vth随随vO1的下跳而下跳，电路进入恢复阶段，电容的下跳而下跳，电路进入恢复阶段，电容C开开始放电。恢复时间为始放电。恢复时间为。 RCt)53(re 在定时电路中，为调整在定时电路中，为调整tW，通常，通常以改变以改变C作为粗调，改变作为粗调，改变R作为细调。作为细调。为了使调节范围加宽，可在定时电路为了使调节范围加宽，可在定时电路与与G2之间

15、加射极跟随器，一般之间加射极跟随器，一般RE应满应满足足64RE64。这样，。这样，R值的选取范围是值的选取范围是64R0.91k。&G2G1Cv2RvO1vO2vIvIvO1vO2v21.4Vtw(a)图10- -2- -13 积分型单稳态 触发器及其工作波形0.3V3.6V3.6V0.3V3.6V0.3Vt1t2(b)(2) 积分型单稳态触发器积分型单稳态触发器0(a) 0t1稳定状态。稳定状态。输入输入vI为低电为低电平，两个门的输出均为高电平。电容平，两个门的输出均为高电平。电容C充电结束，触发器处于稳定状态。充电结束，触发器处于稳定状态。当当t=t1时，时，vI上跳变，两个门的状上跳

16、变，两个门的状态同时改变，触发器翻转一次，进入态同时改变，触发器翻转一次，进入暂稳态。暂稳态。(b) t1t2暂稳定状态。暂稳定状态。输入输入vI为高为高电平，电平，vO1输出均为低电平，电容输出均为低电平，电容C放放电。当电。当t=t2时，电压时，电压v2下降至下降至Vth，G2状状态发生翻转，态发生翻转，vO2上跳至高电平，触发上跳至高电平，触发器状态自动翻转一次。器状态自动翻转一次。&G2G1CRvOvI图10- -2- -14 宽脉冲输出电路&G3当触发输入当触发输入vI下跳后，电容下跳后，电容C重新充电完毕后，触发器回到重新充电完毕后，触发器回到初始稳定状态。初始稳定状态。在暂态期间

17、，电容在暂态期间，电容C放电未达到阈值电压放电未达到阈值电压Vth之前，之前，vI不能由不能由高电平下跳，否则高电平下跳，否则G2因因vI下跳提前翻转，达不到由下跳提前翻转，达不到由RC电路控制电路控制定时的目的。故要求定时的目的。故要求vI比输出比输出vO2脉冲宽。脉冲宽。如果要求在输入窄的触发脉冲时能够得到较宽的输出脉冲，如果要求在输入窄的触发脉冲时能够得到较宽的输出脉冲，可采用可采用图图10- -2- -14所示电路。所示电路。CRvOvI图10- -2- -15 施密特触发器构成 的单稳态电路及其工作波形A1vItVTVTOvAOtvOtOVDD(a)(b)(3) 施密特触发器构成单稳

18、态触发器施密特触发器构成单稳态触发器当当vI=0时，输出时，输出vO=VOL=0V，这，这是稳定状态。是稳定状态。当当vI的正脉冲加到输入端时，的正脉冲加到输入端时，vA随之上跳，只要上跳的幅值大于随之上跳，只要上跳的幅值大于VT+，则输出则输出vO=VDD。触发器发生一次翻转，。触发器发生一次翻转，进入暂稳态。进入暂稳态。随着电容随着电容C充电，充电，vA电位指数下电位指数下降，一旦达到降，一旦达到VT- -，施密特触发器发，施密特触发器发生自动翻转，生自动翻转，vO=VOL=0V，返回至稳，返回至稳态。暂稳态持续时间为态。暂稳态持续时间为 TIHlnWVVRCt图10- -2- -16 单

19、稳态触发器 通用逻辑符号1图10- -2- -17 非可重触发单稳 态触发器波形vItOvOtOtWtWA B CD集成单稳态触发器集成单稳态触发器集成单稳态触发器分为集成单稳态触发器分为非可重触发非可重触发和和可重触发可重触发两种类型。两种类型。非可重触发单稳态触发器非可重触发单稳态触发器，是指，是指在暂稳态定时时间在暂稳态定时时间tW之内，若有新的之内，若有新的触发脉冲输入，电路不会产生任何响触发脉冲输入，电路不会产生任何响应。应。只有在电路返回到稳态后，电路只有在电路返回到稳态后，电路才受输入脉冲信号作用。输出信号脉才受输入脉冲信号作用。输出信号脉冲的宽度为冲的宽度为tW。输入脉冲输入脉

20、冲暂稳态定时时间暂稳态定时时间图10- -2- -18 可重触发单稳 态触发器波形vItOvOtOtWABCtWtWt可重触发单稳态触发器可重触发单稳态触发器，是指在暂稳态定时时间，是指在暂稳态定时时间tW之内，之内，若有新的触发脉冲输入，可被新的输入脉冲重新触发。若有新的触发脉冲输入，可被新的输入脉冲重新触发。图图10- -2- -18中，电路在受到中，电路在受到A输输入脉冲触发后，电路进入暂稳态。入脉冲触发后，电路进入暂稳态。在暂稳态在暂稳态tW期间，经期间，经t(ttW)时间后，时间后，又受到又受到B输入脉冲的触发，电路的暂输入脉冲的触发，电路的暂稳态时间又将从受稳态时间又将从受B脉冲触

21、发开始，脉冲触发开始，因此输出信号的脉冲宽度将为因此输出信号的脉冲宽度将为t+tW。采用可重触发单稳态触发器，只要在输出的暂稳态持续期采用可重触发单稳态触发器，只要在输出的暂稳态持续期tW结束前，再输入触发脉冲，就可方便地产生持续时间很长的结束前，再输入触发脉冲，就可方便地产生持续时间很长的输出脉冲。输出脉冲。(1) TTL集成单稳态触发器集成单稳态触发器TR+&G1&G2&G3G4&11G5G6C111G7G8G9RCextVCCRintRintRext/CextaTR-ATR-BQQ图10- -2- -19 CT54121/74121单稳态触发器逻辑图输入控制电路输入控制电路输出缓冲电路输

22、出缓冲电路微分型单稳态触发器微分型单稳态触发器CT54121/74121非可重触发单稳态触发器非可重触发单稳态触发器输入输入输出输出TR- -ATR- -BTR+ +QQ0101010100111011111100表10- -2- -3 CT53121/74121功能表稳态稳态暂稳态暂稳态功能表：功能表：OtTR-AtwOTR-BOTR+OQttttwtwt1t2t3t4t5t6图10- -2- -20 CT54121/74121工作波形1&1TR-ATR-BTR+CextRintRext/CextCXRIRX/CX图10- -2- -21 CT54121/74121逻辑符号工作波形：工作波形

23、：逻辑符号：逻辑符号：1G12Q&1G1Q&G2&1G5G6G711G11G9TPTNG3G41G81G101G131G141G151G16VDDVDDvATR+TRR图10- -2- -22 CC14528逻辑图CR(2) CMOS集成单稳态触发器集成单稳态触发器CC14528可重触发单稳态触发器可重触发单稳态触发器三态门三态门输出缓冲电路输出缓冲电路输入控制电路输入控制电路输入输入输出输出RTR+ +TR- -QQ0011010011110表10- -2- -4 CC14528功能表功能表：功能表：OtTR+twOTR- -OvAOQttttwtwt1t2t3t4t5t6图10- -2-

24、-23 CC14528可重触发 单稳态工作波形tt7工作波形：工作波形：&G1CRd图10- -2- -24 电容正反馈 多谐振荡器&G2abtw1t1t2t3tw2充充电电放放电电V1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva(a)(b)10.2.310.2.3多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，在接通电源后，不需要外加触发信号，能自动地产生矩形脉冲，优于矩形波能自动地产生矩形脉冲，优于矩形波形中含有丰富的高次谐波，故习惯称形中含有丰富的高次谐波，故习惯称为为多谐振荡器多谐振荡器。它是常用的矩形脉冲。它是常用的矩形脉冲

25、产生电路。产生电路。电容正反馈多谐振荡器电容正反馈多谐振荡器(1) 基本工作原理基本工作原理在多谐振荡器工作过程中，主要在多谐振荡器工作过程中，主要依靠电容依靠电容C的充、放电，引起的充、放电，引起vd的变的变化，若化，若vd达到达到TTL门阈值电压门阈值电压Vth，引，引起起与非与非门状态的翻转。门状态的翻转。&G1CRd图10- -2- -24 电容正反馈 多谐振荡器&G2abtw1t1t2t3tw2充充电电放放电电V1.4V0.3V0.3V3.6Vvdvbva(a)(b)设某时刻由于电容设某时刻由于电容C充电，使充电，使vd上升至上升至vdVth时，时，G1由关态变为开态，由关态变为开态

26、，使输出使输出va由高电平跳变至低电平，由高电平跳变至低电平，G2由开态变为关态，输出由开态变为关态，输出vb由低电平跳由低电平跳变至高电平。由于电容变至高电平。由于电容C两端电压不两端电压不能突变，使能突变，使vd也随也随vb的上跳而上跳，的上跳而上跳，维持维持G1处于开态，处于开态，G2处于关态。处于关态。以后电容以后电容C放电，放电，vd电位逐渐下电位逐渐下降，在降，在vd下降至下降至Vth之前，这段时间称之前，这段时间称为为暂态暂态，即图中，即图中t1t2期间的波形。期间的波形。CRdab0.3V3.6V(a)图10- -2- -25 电容C充、放 电等效电路RO+- -RROC(b)

27、+- -R1VCCdab0.3V3.6V放电放电充电充电当当vd下降至下降至Vth时，时，G1由开态变为由开态变为关态，关态，va由低电平上跳至高电平，由低电平上跳至高电平，G2由关态变为开态，由关态变为开态，vb由高电平下跳至由高电平下跳至低电平。电路又一次自动翻转。低电平。电路又一次自动翻转。当当G1处于关态，处于关态，G2处于开态后，处于开态后，电容电容C充电，充电，vd电位逐渐上升，在电位逐渐上升，在vd上上升至升至Vth之前，这段时间称为之前，这段时间称为暂态暂态，如图中如图中t2t3期间的波形。期间的波形。当当vd上升至上升至Vth时，时，G1由关态变为由关态变为开态，开态，G2由

28、开态变为关态，进入暂态由开态变为关态，进入暂态。以后不断重复上述过程，从而形。以后不断重复上述过程，从而形成周期振荡，在输出端获得矩形波成周期振荡，在输出端获得矩形波vb。(2) 振荡周期的计算振荡周期的计算(a) 暂态暂态持续时间持续时间tW1的计算的计算)()()()(112W12dd1ddln tvvtvvttt OHOLOHbth1dth2dadO1)(V4 . 1)(V0V3 . 0)()(VVVVVVVtvVtvvvCRR 其中：其中：)1ln()()ln()(thOHthOHthOOW1VVVVVCRRCRRt )()()()(223W23dd2ddln tvvtvvttt OH

29、OHOL2b2bth2dth3dOHad1O2)()()(V4 . 1)(V6 . 3)(/)(VVVtvtvVVVtvVtvVvvCRRR 其中：其中：)ln(/)(thOHthOH21OW2VVVVCRRRt (b) 暂态暂态持续时间持续时间tW2的计算的计算W2W1ttT (c) 振荡周期振荡周期带有带有RC定时电路的环定时电路的环形振荡器形振荡器&G2CR图10- -2- -26 带RC电路的环形多谐 振荡器及工作原理&G3vOt1t2t3tw2(a)(b)&G1RSv3v2v1OvOtOv1tOv2tOv3tVmVmVtht4tw1基本工作原理基本工作原理是利用电容是利用电容C的充、

30、放电过程，控制电压的充、放电过程，控制电压v3，从而控制从而控制与非与非门的自动开闭。门的自动开闭。(1) t1t2暂稳态暂稳态设设tt2时，与时，与tt1时的状态相同，只要时的状态相同，只要v3未上升至未上升至Vth，暂稳，暂稳态维持不变。而态维持不变。而t=t3时，又重复时，又重复t=t1时的过程。上述过程自动周时的过程。上述过程自动周期重复，形成多谐振荡。期重复，形成多谐振荡。根据分析，可求得（忽略根据分析，可求得（忽略TTL门输出电阻的影响）门输出电阻的影响）RCRCtCRRCRRtVVVVVVVVVV26. 1ln)/(98. 0ln)/(OLthOLthOHthOHOLthOH2W

31、21)(21W1 可见，通过调节电容可见，通过调节电容C和电阻和电阻R可以调节振荡器的频率。可以调节振荡器的频率。&G2R图10- -2- -28 晶体稳频的多谐振荡器&G1R&G3vO晶体稳频的多谐振荡器晶体稳频的多谐振荡器晶体稳频多谐振荡器是在耦晶体稳频多谐振荡器是在耦合支路中串接了石英晶体构成的。合支路中串接了石英晶体构成的。石英晶体具有一个极其稳定石英晶体具有一个极其稳定的串联谐振频率的串联谐振频率fs，在该频率的，在该频率的两侧，晶体的阻抗迅速增大。两侧，晶体的阻抗迅速增大。在反馈支路中串入石英晶体，振荡器只有在频率满足在反馈支路中串入石英晶体，振荡器只有在频率满足fs的起的起振条件

32、时才起振。振荡的波形经过振条件时才起振。振荡的波形经过G3整形后即输出矩形脉冲波。整形后即输出矩形脉冲波。所以，多谐振荡器的振荡频率决定于晶体的振荡频率，这就是所以，多谐振荡器的振荡频率决定于晶体的振荡频率，这就是晶体的稳频作用。晶体的稳频作用。CRvOvC图10- -2- -29 施密特触发器构成 的多谐振荡器1vCtO(a)(b)tOvOtw1tw2由施密特触发器构成的多谐振荡器由施密特触发器构成的多谐振荡器当接通电源时，当接通电源时，vC电位较低，输电位较低，输出出vO为高电平。此后为高电平。此后vO通过通过R对对C充充电，当电，当vCVT+时，施密特触发器输出时，施密特触发器输出为低电平；为低电平；vC经经R通过通过vO放电，当放电，当vCVT- -时，施密特触发器输出为高时，施密特触发器输出为高电平。如此反复，形成多谐振荡。电平。如此反复，形成多谐振荡。若采用若采用CMOS施密特触发器，则施密特触发器，则 TTTDDTDDlnlnW2W1VVVVVVRCtRCt振荡周期为振荡周期为W2W1ttT