第九章脉冲波形的变换与产生一

第9章脉冲波形的变换与产生2024/4/172施密特触发器2024/4/173施密特触发器施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它有两个稳定的工作状态，触发器处于哪种工作状态，取决于输入信号的电平高低：当输入信号由低电平逐步上升到某一电平（VT+

）时，电路状态发生一次转换；当输入信号由高电平逐步下降到某一电平（VT-

）时，电路状态又会发生一次转换两次状态变换时对应的输入电平值是不同的特点施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压，具有回差（滞后）的传输特性类型门电路组成施密特触发器集成施密特触发器2024/4/174门电路组成的施密特触发器电路构成：两个CMOS反向器G1、G2串接分压电阻R1、R2将输出电压反馈给输入端电路分析：设Vth≈VDD/2，R1<R2，且输入信号为三角波显然，VI1的电平值决定着电路的状态2024/4/175工作原理输入信号增加时输入从0V开始增加，只要VI1<Vth，则电路保持VO=0V不变当VI上升使得VI1=Vth时，使电路产生如下正反馈过程：

vI1

vO1

vO

电路状态很快转换为VO=VDD此时VI的值为施密特触发器在输入信号正向增加时的阈值电压，用VT+表示，有：当VI1>Vth时，电路维持VO=VDD不变2024/4/176工作原理输入信号减少时VI继续上升至最大值后开始下降，当VI1=Vth

，电路产生如下正反馈过程：

VI1

VO1

VO

这样，电路状态又很快转换为VO=0V。此时VI的值为施密特触发器在输入信号减小时的阈值电压，用VT-表示，有：将VDD

=2Vth

代入可得：只要满足VI1<Vth，施密特电路就稳定在VO0V的状态2024/4/177工作原理由VT+和VT-表达式，我们可以求得回差电压为：回差电压的大小与R1/R2的比值成正比，因此改变电阻R1、R2的比值即可以调节回差电压的大小2024/4/178集成施密特触发器CC40106

电路由施密特电路、整形级和缓冲输出级组成，其核心是施密特电路2024/4/179集成施密特触发器CC40106整形级TP7、TP9、TN8、TN10组成首尾相连的反向器，其正反馈作用加快电路的翻转，使前后沿陡峭输出级TP11和TN12组成的反向器，隔离负载，提高驱动能力2024/4/1710集成施密特触发器CC40106Vi=0，TP1和TP2导通，TP3截止，TN6导通（源极跟随）。此时Vs5=Vo’-Vgs6=VDD-Vgs6，Vo’=高。Vi上升→TN4导通，TP1和TP2导通率降低，Vo’下降。当Vi-Vs5>Vtn时，TN5导通，引起正反馈：Vo’下降→Vs5降低→TN5导通→Vo’下降。所以Vi>Vtn+Vs5>VDD/2（假设Vtn=VDD/2）;同样Vi下降时，要求Vs2-Vi>Vtp，Vi<Vs2-Vtp<VDD/2（Vs2<Vdd，Vtp=VDD/2）2024/4/1711施密特触发器的应用1波形的整形和变换波形变换把边沿变化缓慢的周期性信号变换为矩形脉冲信号右图：输入信号是由直流分量和正弦分量叠加而成，只要输入信号的幅度大于VT+，即可在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形脉冲信号调节不同的回差可以得到不同的占空比2024/4/1712施密特触发器的应用波形的整形和变换波形整形：矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变：传输线上电容较大时，波形前后沿变坏传输线较长时，阻抗不匹配产生的振荡现象其它脉冲信号通过导线之间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上2024/4/1713施密特触发器的应用波形的整形和变换利用回差电压抗干扰前沿上的噪声与干扰信号顶部的干扰（a）具有顶部干扰的输入信号（b）回差电压小时的输出波形（c）回差电压大于顶部干扰的输出波形2024/4/1714施密特触发器的应用幅度鉴别只有幅度大于VT+的脉冲才会输出信号2024/4/1715多谐振荡器2024/4/1716多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡电路该电路在接通电源后，无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲波或方波，由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波/方波振荡器叫做多谐振荡器同样由于多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又被称为无稳态电路分类：门电路组成的多谐振荡器对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器环形振荡器石英晶体振荡器用施密特触发器组成多谐振荡器2024/4/1717门电路组成的多谐振荡器电路特点：电路中有开关器件，用以产生高、低电平电路中存在着正反馈网络（例如偶数个反相器），将输出电压恰当地反馈给开关器件，使之改变输出状态电路中要有延时环节，以获得所需要的振荡频率2024/4/1718工作原理电路初始状态（t=0）：VC=0,VI=VO2=VOL,VO1=VOH,G1的TN截止TP导通、G2的TN导通TP截止，多谐振荡器的第一暂稳态电路翻转过程：VDD通过G1的TP管,R和G2的TN管向电容C充电VC

，即VI

；当VI=Vth

时，电路发生正反馈：

VI

VO1

VO2

导致VO2迅速变高第一暂稳态及电路自动翻转的过程2024/4/1719工作原理电路进入第二暂稳态瞬间VO2(0VDD)，VI

VO2=VDD,VI=VDD+Vth,VO1=0,G1-TN导通、G2-TP导通，多谐振荡器的第二暂稳态电路翻转过程：电容C通过G2的TP管,R和G1的TN管放电（反充电），使VI

当VI=Vth时，电路又发生正反馈：

VI

VO1

VO2

导致电路再次翻转第二暂稳态及电路自动翻转的过程2024/4/1720（1）T1的计算VI(t1)=VI(0)

0,VI(

)=VDD,=RC（2）T2的计算VI(t2)=VDD+∆V+

VDD,VI(

)=0,=RC（3）振荡周期代入Vth=VDD/2，有：振荡周期与VDD和Vth有关，因而与电源电压的稳定性和器件的温度特性相关，另外还与电路的噪声特性相关。因此，其频率稳定性相对较差。振荡周期的计算2024/4/1721加补偿电阻的多谐振荡器加补偿电阻的CMOS多谐振荡器2024/4/1722用施密特触发器构成振荡器Vt+Vt-VohVolT1T22024/4/1723石英晶体振荡器石英又称水晶(quartz)，化学成分为二氧化硅(SiO2)，天然含量极为丰富，而且人工水晶技术成熟，取材容易价格便宜天然水晶较人工水晶具有较高的品质因子(Q值)和较好的物理、化学稳定性石英晶体振荡器的工作原理是利用石英的压电效应来产生循环的芯片振荡石英晶体具有一个极其稳定的串联谐振频率fs，偏离这频率晶体的阻抗将迅速增大石英晶体的等效电路可以用一个四元件双端口网络表示，即LC串联谐振电路Lg、Cg和Rg分别为石英晶体的动态电感，动态电容和动态电阻，C0为晶体的静态电容Lg、Cg的大小主要取决于石英晶体的质量和弹性，Rg主要取决于石英晶体的切型，几何尺寸，表面光洁度和安装结构2024/4/1724石英晶体的等效电路中，电路的右支路的Lg、Cg和Rg可以构成了一个串联谐振电路其等效阻抗为：谐振发生时，电路呈纯电阻特性，为最小值。有：ZS=Rg，且

Lg=1/(Cg)，由此可得到其串联谐振频率：

串联谐振频率石英晶体的等效电路2024/4/1725石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路

石英晶体具有一个极其稳定的串联谐振频率fs。将一个石英晶体串入一个两极正反馈的反馈支路中时，因为正反馈的存在使得电路有着快速的上升和下降沿，所以正反馈电路有着丰富的谐波频率成分。但只有频率为f