用门电路组成的单稳态触发器设计与优化

一、微分型单稳态触发器

1.电路组成及工作原理

如图7.2.1所示为由CMOS门电路构成的单稳态触发器，因其阻容元件R、C构成微分电路形式，故称为微分型单稳态触发器。

对于CMOS门电路，将其特性理想化，可设定输出的低电平UOL≈0V，输出的高电平UOH≈VDD，非门的阈值电压。下面分析单稳态触发器的工作原理。

图7.2.1　CMOS微分型单稳态触发器

（1）没有触发信号时，电路处于一种稳定状态。

通电后，当电路无外加触发信号输入时，设uI为低电平，由于G2输入通过电阻R接VDD，输出uO≈0V。此时或非门G1的两个输入端全为0，其输出uO1≈VDD。这时电容C上的电压uC≈0V，几乎没有电荷存储，电容相当于开路，电路处于一种稳定的状态。只要没有正脉冲触发，电路就一直保持这一稳定状态不变， 即 uO1＝1， uO＝0。

（2）外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态。

如果在输入端uI外加一个大于阈值电压UTH正触发脉冲，G1的输出电压uO1迅速由高电平跳变为低电平，由于电容C两端的电压不能突变，G2的输入电压uI2也随之跳变为低电平，G2截止，输出电压uO跳变为高电平。同时uO反馈到G1的输入端，此后即使uI的触发信号消失，仍可维持G1低电平输出。由于电路的这种状态是不能长久保持的，故将此状态称为暂稳态，暂稳态时uO1＝0，uO＝1。

（3）电容器C充电，电路自动从暂稳态返回稳态。

暂稳态期间，由于 uO1≈0V，电源VDD经电阻R和G1门内部导通的工作管对电容C充电，此时电容器上的电压uC≈uI2按指数规律升高，经过tw时间后，uI2上升到非门G2的阈值电压UTH，G2导通，输出电压uO跳变为低电平，暂稳态结束。此后电容C通过电阻R和G2门的输入保护回路放电，因G2门内部的输入保护二极管导通，放电速度很快，使电容C上的电压很快恢复到初始状态时的0V，电路从暂稳态返回到稳态，即uO1＝1，uO＝0。

上述工作过程中单稳态触发器各点电压的工作波形如图7.2.2所示。

图7.2.2　单稳态触发器各点电压的工作波形(www.xing528.com)

2.输出脉冲宽度tw的计算

由波形图可知，RC充电过程决定了暂稳态持续的时间。单稳态触发器的输出脉冲宽度实际上就是uI2从0V上升到阈值电压UTH所需的时间。

根据RC电路过渡过程的公式为：

由式（7.2.1）推导出RC电路过渡过程的时间间隔公式为：

根据前面的分析可知，电容C充电的初始电压uC（t1）＝0V，电容C的稳态值为VDD，即uC（∞）＝VDD，充电时间常数τ＝RC，电容C上最终充得的电压。将上述参数代入式（7.2.2）计算得

3.CMOS微分型单稳态触发器改进电路

在图7.2.1电路中，输入触发脉冲uI的宽度tw1应小于输出脉冲的宽度tw，即2tpd＜tw1＜tw，其中tpd为CMOS门电路的传输延迟时间，否则电路不能正常工作。而在实际应用中往往无法避免输入的触发脉冲宽度过大的情况，可在单稳态触发器输入端加一个RC微分电路加以解决，如图7.2.3所示。

二、积分型单稳态触发器

图7.2.4所示为由CMOS门电路构成的积分型单稳态触发器，图中阻容元件R、C构成积分电路形式。uI＝1时uO＝0，电路处于稳态。uI负跳变到0时，由于电容电压不能突变，uI2仍为0，uO变为1，电路进入暂稳态。此后由于电容C放电使uI2逐渐升高，直到使输出电压uO变为0，电路恢复稳态。

图7.2.3　CMOS微分型单稳态触发器改进电路

图7.2.4　CMOS积分型单稳态触发器

由分析可知，电路正常工作时触发脉冲宽度应大于输出脉冲宽度。