施密特触发器

施密特触发器不同于前述的各类触发器，它具有下述特点： 

u       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。

u       输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压，它具有如图6.17所示的传输特性。

图6.17 施密特电路的传输特性

在模拟电路中，曾经讨论过由集成运放构成的施密特触发器（带正反馈的迟滞比较器），下面介绍数字技术中常用的施密特触发器。

一、门电路组成的施密特触发器

由CMOS门组成的施密特触发器如图6.18所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(a)电路           　　  　      (b)图形符号

　　　　　　　　　　　　　　　　图6.18 CMOS反相器组成的施密特触发器

电路中两个CMOS反相器串接，分压电阻R1 、R2 将输出端的电压反馈到输入端对电路产生影响。

假定电路中CMOS反相器的阈值电压  ,  且输入信号  为三角波，其电路的工作过程如下。

 门的输入电平  决定着电路的状态，根据叠加原理有

               =         

当  =0V时，  门截止，  门导通，输出端  V。此时  »0V。输入从0V电压逐渐增加，只要  ,则电路保持  V不变。当  上升使得  ,时，使电路产生如下正反馈过程：

这样，电路状态很快转换为  ，此时  的值即为施密特触发器在输入信号正向增加时的阈值电压，称为正向阈值电压，用  表示。此时

                           »           

所以                      =(1+            

当  时，电路状态维持  不变。

 继续上升至最大值后开始下降，当  时，电路产生如下正反馈过程：                         

这样电路又迅速转换为  V的状态，此时的输入电平为  减小时的阈值电压，称为负向阈值电压，用  表示。此时有      = 

将  =2  代入可得

                               »                    

只要满足  <  ，施密特电路就稳定在  V的状态。

定义回差电压为                      

上式表明，电路回差电压与  /  成正比，改变R1 ,R2 的比值即可调节回差电压的大小。

电路的工作波形及传输特性如图6.19所示。

            

（a）工作波形          　　　　　　　　　（b） 传输特性曲线

图6.19  施密特触发器工作波形及传输特性曲线

二、集成施密特触发器

集成施密特触发器性能稳定，应用广泛，下面以CMOS集成施密特触发器CC40106(见图6.20)为例介绍其工作原理。

  

                   (a) 电路图                      　　　　　　　　　  （b）传输特性曲线         (c)逻辑符号

图6.20  CMOS集成施密特触发器电路

由图可见，电路由施密特电路、整形及和缓冲输出级组成，其核心部分为施密特电路。

u       施密特电路

施密特电路由P沟道MOS管  ~  、N沟道MOS管  ~  组成，设P沟道MOS管的开启电压为  ,N沟道MOS管开启电压为  ,输入信号  为三角波。

当  =0时，  、  导通，  、  截止，电路中  为高电平（  ），  。  的高电平同时使  截止，  导通且工作于源极输出状态。  的源极电位，  ,该电位较高。

 电位逐渐升高，当  >  时  先导通，而  源极电压  较大，即使  >  /2，  仍不能导通，直至继续升高至  、  趋于截止时，随着其内阻增大， 和  才开始相应减少。当  -  ³  时，  导通，并引起如下正反馈过程：

于是  、  迅速截止，  为低电平，电路输出状态转换为  。

 的低电平使  截止、  导通且工作于源极输出器状态，  的源极电压  。同理可分析，当  逐渐下降时，电路工作过程与  上升过程类似，只有当∣ -  ∣>∣  ∣时，电路又转换为  为高电平，   的状态。

在  »  的条件下，电路的正向阈值电压  且随着  增加而增加。在  下降过程中的负向阈值电压  。

由上述分析可知，电路在  上升和下降过程分别有不同的两个阈值电压，具有施密特电压传输特性。其传输特性如6.20图b所示。

u       整形级

整形级由  、  、  、  组成，电路为两个首尾相连的反相器。在  上升和下降过程中，利用两级反相器的正反馈作用可使输出波形有陡直的上升沿和下降沿。

u       输出级

    输出极为  和  组成的反相器，它不仅能起到与负载隔离的作用，而且提高了电路带负载能力。

三、施密特触发器的作用

施密特触发器的用途很广，其典型应用举例如下：

u       用于波形变换

利用施密特触发器状态转换过程中的正负反馈作用，可以把边沿变换缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。

在图6.21的例子中，输入信号是由直流分量和正弦分量叠加而成的，只要输入信号的幅度大于  ，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。

图6.21 用施密特触发器实现波形变换

u       用于脉冲整形

数字系统中矩形脉冲经传输后会发生波形畸变。下图(a)波形的上升沿和下降沿明显变坏是由于传输线上电容较大。下图(b)波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象是因为传输线较长且接收端的阻抗与传输线阻抗不匹配。下图(c)信号上出现附加的噪声是因为其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上。

                   (a)                     　　　　(b)              　　　　　 　(c)

图6.22 用施密特触发器对脉冲整形

无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。由图可见，只要施密特触发器的  和V  设置得合适，均能收到满意的整形效果。

u       用于脉冲鉴幅

由图6.23可见，若将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有那些幅度大于  的脉冲才会在输出端产生输出信号。因此，施密特触发器能将幅度大于 的脉冲选出，具有脉冲鉴幅的能力。

图6.23 用施密特触发器鉴别脉冲幅度

u       构成多谐振荡器

利用施密特触发器构成多谐振荡器。其电路如图6.24所示。接通电源瞬间，电容C上

           

图6.24 用施密特触发器构成的多谐振荡器            图6.25  图6.24的波形

的电压为0V，输出  为高电平。  通过电阻R对电容C充电，当  达到  时，施密特触发器翻转，输出为低电平，此后电容C又开始放电，  下降，当  下降到  时，电路又发生翻转，如此周而复始地形成振荡。其输入、输出波形如图6.25所示。若在图6.24中采用的是CMOS施密特触发器，且  ，根据图6.25的电压波形得到振荡周期计算公式为         

    当采用TTL施密特触发器（例如7414）时，电阻R不能大于470W，以保证输入端能够达到负向阈值电平。R的最小值由门的扇出数确定（不得小于100W）。对于典型的参数值（  =0. 8V,  =1.6V输出电压摆幅为3V），其输出的振荡频率为： 

最大可能的振荡频率为10MHZ   

 

（原文地址：http://www.elecfans.com/book/story.php?id=530）