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数字电路与系统

数字电路与系统. 第十章 脉冲波形的产生和整形 Part 1. 第十章 @ 第五版 习题. 第五版 10.4; 10.6; 10.9; 10.10 10.8 10.21; 10.25 10.17; 10.18; 10.19; 10.22 ;. 脉冲 波形的产生与整形 仅限于“ 矩形脉冲 ”. 获得矩形脉冲的途径 利用多谐振荡器直接 产生 ； 通过整形电路把已有周期性变化的波形 整形 为矩形脉冲。. 10.1 概述. 10.1 概述. 矩形脉冲的特性 脉冲周期 / 频率 f =1/ T 脉冲幅度 V m 脉冲宽度 T W , t W

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  1. 数字电路与系统 第十章 脉冲波形的产生和整形 Part 1

  2. 第十章@第五版 习题 第五版 • 10.4; 10.6; 10.9; 10.10 • 10.8 • 10.21; 10.25 • 10.17; 10.18; 10.19; 10.22;

  3. 脉冲波形的产生与整形 仅限于“矩形脉冲” 获得矩形脉冲的途径 利用多谐振荡器直接产生； 通过整形电路把已有周期性变化的波形整形为矩形脉冲。 10.1 概述

  4. 10.1 概述 • 矩形脉冲的特性 • 脉冲周期/频率 f =1/T • 脉冲幅度 Vm • 脉冲宽度 TW, tW • 上升时间 tr • 下降时间 tf • 占空比（duty factor）

  5. 10.1 概述 • 矩形脉冲波形的产生和整形 • 脉冲整形电路： • 施密特触发器 • 单稳态电路 • 脉冲振荡电路： • 多谐振荡器 • 应用：555定时器电路

  6. 10.1 概述 • 学习方法 • 电路特点 • 工作原理 • 定性分析：稳态（静态）、转换态（动态） • 定量计算（或 估算）：依据 触发条件、充放电回路

  7. §10.1 概述 §10.2 施密特触发器 §10.3 单稳态触发器 §10.4 多谐振荡器 §10.5 555定时器电路 目录 §10.1 概述 §10.2 施密特触发器 §10.3 单稳态触发器 Part 01 §10.4 多谐振荡器 §10.5 555定时器电路

  8. §10.2 施密特触发器 • Schmitt Trigger • 用门电路组成的施密特触发器 • 集成施密特触发器 • 施密特触发器的应用 “触发器”—trigger 区别 flip-flop

  9. L L • 稳态（之一） vI与vO同相；vI=0时， vO =VOL≈0 §10.2 施密特触发器 • 用门电路组成的施密特触发器 • CMOS门电路 • 阈值 • 电路设计： R1<R2 • R1 输入电阻， R2 正反馈电阻 稳态：确定输入为0时电路的状态（即电路中各点的电压值）

  10. 触发条件：计算该点电压引起电路状态发生变化时所对应的输入电压值。（定性分析定量计算）触发条件：计算该点电压引起电路状态发生变化时所对应的输入电压值。（定性分析定量计算） §10.3 施密特触发器 • 动态 • vI 从0逐渐升高超过阈值VTH，并不会立即触发 • 当 vI 继续升高并使 vA超过阈值 VTH的时候， • 正反馈过程： 动态：找出输入电压上升过程中，电路状态发生转换是由哪一点的电压控制的。

  11. “一触即发”的千钧一发之刻！ §10.2 施密特触发器 • 触发条件： （“t -时刻”） VT+被称为“正向阈值电压”

  12. 输出电平从低到高变化过程 稳态：确定输入为0时电路的状态（即电路中各点的电压值） 动态：找出输入电压上升过程中电路状态发生转换是由哪一点的电压控制的。 触发条件：计算该点电压引起电路状态发生变化时所对应的输入电压值。 §10.2 施密特触发器 • 同理：对于输出电平从高到低变化的过程 • 稳态：确定输入高于 VT+ 时电路的状态。 • 动态：找出输入电压下降过程中电路状态发生转换是由哪一点的电压控制的。 • 触发条件：计算该点电压引起电路状态发生变化时所对应的输入电压值。

  13. 同理： 稳态： vI与 vO同相 vI=VDD时， vO =VOH≈ VDD 动态： vI 从 VDD逐渐降低，使 vA =VTH时，电路状态迅速转换为vO= 0 §10.2 施密特触发器 H H

  14. §10.2 施密特触发器 • 触发条件： “t - 时刻” { } 或：以输出端为电位参考点 VT-被称为“负向阈值电压”

  15. VOH VOL vI 0 VTH VDD §6.2 施密特触发器 • 电压传输特性 vO

  16. 滞洄特性： 回差电压 调节R1和R2的比值； 思考R2>>R1和R1≥R2电路的工作状态 同相输出与反相输出 §10.2 施密特触发器 国标

  17. 图形符号 对应：同相输出与反相输出 §10.2 施密特触发器

  18. [例10.2.1] VDD=10V, VTH=5V, VT-=2.5V ~ VT+=7.5V 解得：R1/R2=0.5 门电路的输出 因为vO输出高电平时能够提供的电流有限，要保证此时 vA 有小于VTH的可能 VOH - R2IOH(max) <VTH， 另外，考虑vO输出低电平时， 电路设计题

  19. §10.2 施密特触发器 • 用门电路组成的施密特触发器（还是有很多种构成形式） • TTL门电路 • 电路特点： • TTL门电路，R1和R2（输入电阻和反馈电阻）不能过大； • 但当 vI 和 vO 存在电压差（ 且vO大于vI时），会造成G2输出端负载过大，故加入二极管D； • 这样，当 vI 为低电平（从高电平向低电平转化的时候），输入信号从G1的另一端加入（利用“与逻辑”的特点）。

  20. (1-1) 稳态：vI 低电平，vO 低电平； (1-2) 动态：vA 超过阈值 (1-3) 触发条件： (2-1) 稳态： vI> VT+， vO高电平； (2-2) 动态： vB超过阈值 (2-3) 触发条件：VT- = VTH (3) 回差电压、滞洄输入-输出特性曲线 （续） 忽略门电路输入电流

  21. §10.2 施密特触发器 • 集成施密特触发器 • DTL——7413 “ 施密特触发的‘与非门’ ” • 二极管与门 • 反相： （输入级同/反/反/同/反/同）

  22. §10.2 施密特触发器 • 施密特电路 • 公共发射极电阻耦合的两极正反馈放大器 • 稳定工作状态：T1截止T2饱和；T1饱和T2截止 • 阈值电压： v'I ~ V 'T+ , V 'T-

  23. iE1 问题：但是iC1(iE1)增大了，如何解释vE下降？ §10.2 施密特触发器 • (1-1) 稳态：T1截止，T2饱和， • (1-2) 动态： 当v 'I 大于 vE电平0.5~0.6V的时候，触发正反馈，T1启开 L

  24. (1-2) 动态： （续） (a) 分析T1和T2的工作状态： T1进入放大区 T2退出饱和区 ∴尽管iC1相对增加量很大，但绝对增加量与的iC2减小量相比很小。 对于T1，iC1=β iB1 对于T2，从深度饱和到临界饱和 0.5 0.8 0.7 三极管输入特性曲线 三极管输出特性曲线

  25. (1-2) 动态： （续） (b) 与T1相比，T2是第二级放大器，所以 可以将两种稳态相互对比： 即使不考虑iB2，由于R3<R2，也会使vE(1)>vE(2)， 所以： (1)(2)时， vE↓ VCC VCC vE(1) vE(2)

  26. (2-1) 稳态：T1饱和，T2截止， (2-2) 动态：当v'I下降到使vBE1电平低于0.7V的时候 §10.2 施密特触发器 H 电路迅速进入T1截止，T2饱和导通

  27. (3) 阈值电压 施密特触发特性： VT+ >VT- (i) T1截止，T2饱和 (ii) T1饱和，T2截止 由 vE(1)>vE(2)可以推导出： VT+ > VT- 因为，触发时T1处于放大区 §10.2 施密特触发器 VT+ H L VT- 定量求解阈值 

  28. 输入输出 整个电路vI为vI’减去输入端二极管压降 电平偏移 考虑 v’O 的“高”、“低”电平 低电平 v’O= vE(T2饱和)+ vCE2(sat)=1.9V • 射随电平偏移，两个PN结； • 传输特性，

  29. §10.2 施密特触发器 • 集成施密特触发器 • CMOS——例如：CC40106

  30. §10.2 施密特触发器 • CMOS集成施密特电路 • 稳态：例如当 vI=0 时… 由于T6的存在，vS5的电位被抬高 • 如何理解？ • 因为，当T4不导通时，T6和T4的分压关系，使vS5电位抬高， • 抬高的极限是使T4恰好形成沟道。 • 也可认为：

  31. §10.2 施密特触发器 • CMOS集成施密特电路 • 稳态：当 vI≥0.5 VDD而未接近VDD-2×|VGS(th)P|时… 由于vS5仍被抬高，T5不导通， 输出vO1≈VDD • 转换状态： vI继续升高，直到T1、T2的栅源电压|vGS1|、 |vGS2| 减小到T1，T2趋于截止时…

  32. vI↑vO1↓ vS5↓ vGS5↑RON,T5↓ §10.2 施密特触发器 VT+>0.5VDD 同理： VT-<0.5VDD • CMOS集成施密特电路 • 稳态：当 vI≥0.5 VDD而未接近VDD-2×|VGS(th)P|时… 由于vS5仍被抬高，T5不导通， 输出vO1≈VDD • 转换状态： vI继续升高，直到T1、T2的栅源电压|vGS1|、 |vGS2| 减小到T1，T2趋于截止时… • 正反馈：

  33. §10.2 施密特触发器 首尾相接的反相器，在vO1上升和下降的过程中， 通过正反馈，使输出电压波形进一步改善！ • CMOS集成施密特触发器

  34. 回差电压 抗干扰 在应用中相辅相承 转换波形边沿陡直 §10.2 施密特触发器 • 小结：施密特触发器的性能特点 1. 输入信号从低电平上升到高电平 从高电平下降到低电平 2. 电路状态转换时，电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿陡直。 • 施密特触发器的应用 • 从 施密特触发器的性能特点 入手，可以发现… 输出转换， 触发阈值不同

  35. §10.2 施密特触发器 • 施密特触发器的应用 • 波形变换 • 回差电压越大，抗干扰能力越强，但… • 波形的对称性越差，设计上要权衡考虑。 • 所谓“对称性”——本例中，对应于正弦信号的峰值。 思考：是否可以采用普通的门电路作波形变换？

  36. §10.2 施密特触发器 • 施密特触发器的应用（续） • 脉冲整形

  37. §10.2 施密特触发器 • 施密特触发器的应用（续） • 脉冲鉴幅

  38. §10.2 施密特触发器 • 施密特触发器的应用（续） • 附加RC外电路构造单稳态触发器 • 利用滞洄特性构成多谐振荡器 • … …

  39. 归纳：分析步骤 • 脉冲电路的分析步骤： • 定性分析： （1）状态判断，电路等效 “静态”，“稳态” （2）状态转换分析（“动态”） 触发转换（施密特，单稳），自发转换（单稳，多谐） • 定量计算(施密特)： （3）触发转换 时 的阈值 • 定量计算(对于单稳、多谐) （3）自发转换 时 充放电线路的参数：始始态、终了态，充电常数

  40. §10.3 单稳态触发器 • Mono-stable Multi-vibrator • 又称：one-shot • 单稳态触发器的工作特性： • 第一、一个稳态，一个暂稳态； • 第二、在外界脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回稳态；（触发转换、自发转换、内部电路状态恢复） • 第三、暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度 tTR 和幅度无关。

  41. §10.3 单稳态触发器 提纲： • 门电路组成的单稳态触发器 • 微分型单稳 • 积分型单稳 • 集成单稳态触发器 • 单稳态触发器的应用 • *用施密特触发器构成单稳态触发器

  42. §10.3 单稳态触发器 • 门电路组成的单稳态触发器 • CMOS 门电路 微分型单稳态触发器 • 电路设计参数： RC与输出脉冲宽度tW可以比拟, RdCd<<TTR R L H vI2 H L 或非门 G1，输入全为L (1)静态（状态判断、电路等效） 判断出稳态：vd=0, vI2=VDD, vO=0, vO1=VDD 暂稳态（思考，如果判断不出可参阅后续步骤。）

  43. … + - - + vI H L L vd 自锁 vI2 vI2超过阈值 vOL vO1H VTH vO §10.3 单稳态触发器 R (2)状态转换： 电容两端间的电压不会突变 注意：CMOS输入端有保护电路

  44. v(t)为状态变量 §10.3 单稳态触发器 R (3)定量计算 ——针对 充放电 定时电路 • 解RC电路的微分方程，可得动态方程

  45. tW tW §10.3 单稳态触发器 (3)定量计算（续） • 充电回路 • 参数 充电常数 τ=RC 起始值 v(0+)=0 终了值 v(∞)=VDD • 代入计算： tW=RCln2 ~ 0.69RC R

  46. tW tW §10.3 单稳态触发器 R (3)定量计算（续） • 其它： （内部状态恢复） 恢复时间 分辨时间td：保证电路能正常工作的前提下，允许两个相邻的触发脉冲之间的最小时间间隔 设计中，使微分器输出脉冲 vd 的宽度远远小于输出脉冲宽度 - +

  47. 提示： 初始状态v(0+)的求解技巧 ? v(0-) §10.3 单稳态触发器 • 门电路组成的单稳态触发器 • TTL 门电路 微分型单稳态触发器 [题10.9]如图，Rd阻值足够大，相当于vA高电平；R的阻值足够小，保证稳态时vI2为低电平。 如果R=300Ω，试定量计算（ [题10.10] ）

  48. §10.3 单稳态触发器 • 门电路组成的单稳态触发器 • TTL 门电路 积分型单稳态触发器： • 为了保证vO1为低电平时， vA在VTH以下，R的阻值不能取得很大 设用正脉冲触发

  49. §10.3 单稳态触发器 (1) 稳态： (2-1)触发转换 当输入正脉冲后， vO1跳变为低电平，但由于C上的电压不能突变，所以vA>VTH，这段时间内G2的两个输入端电压同时高于VTH, vO=VOL,电路进入暂稳态 (2-2)自发转换 同时C开始放电。随着C放电vA不断下降， 至vA=VTH以后，vO回到高电平 (2-3)内部状态的恢复 当vI返回低电平以后， vO1重新变成高电平，并向C充电，经过恢复时间tre以后， vA恢复为高电平，电路回到稳态

  50. §10.3 单稳态触发器 • 电压波形图 设定稳态：vI L，vO H，vA L, 电容储能

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