门电路实现的施密特触发器构造方法

一、电路结构

图7.3.1所示为由G1和G2两个CMOS反相器组成的施密特触发器。分压电阻R1、R2将输出电压反馈到G1门输入端，工作时设反相器的阈值电压UTH≈， R1＜R2。

根据输入相位和输出相位关系的不同，施密特触发器有同相输出和反相输出两种电路形式，其逻辑符号分别如图7.3.2（a）、（b）所示。图中符号“”为施密特触发器的总限定符号。

图7.3.1　CMOS反相器组成的施密特触发器

图7.3.2　施密特触发器的逻辑符号

（a）同相输出逻辑符号；（b）反相输出逻辑符号

二、工作原理

由电路图可知，G1门的输入电平uI1决定着电路的输出状态。因为G1门的ig＝0，根据叠加原理有：

设输入信号uI为三角波，如图7.3.3所示。

（1）初始状态。当输入电压uI＝0V时，uI1≈0V，G1门截止，uO1＝UOH≈VDD， G2门导通， uO＝UOL≈0V。

（2）输入信号上升，电路第一次翻转。当输入电压uI从0逐渐开始上升，uI1也随之开始增大，只要uI1＜UTH，电路保持uO≈0V不变。由于uO≈0V，根据式（7.3.1）可得

当输入电压上升到使uI1＝UTH时，G1门进入其电压传输特性的转折区，因为正反馈的作用使电路的状态在极短的时间内发生翻转，输出电压很快从低电平跳变为高电平，uO≈VDD。

图7.3.3　施密特触发器的工作波形和电压传输特性曲线

（a）工作波形；（b）uO输出的传输特性曲线；（c）uO1输出的传输特性曲线

输入电压uI上升过程中，使电路状态发生翻转所对应的输入电压称为正向阈值电压，用UT＋表示。根据式（7.3.2）得(www.xing528.com)

由上式可得

此后，如果输入电压uI继续上升，由于uI1＞UTH，输出状态维持不变。

（3）输入信号下降，电路第二次翻转。当输入电压uI从高电平逐渐开始下降，uI1也随之开始下降，只要uI1＞UTH，电路保持uO≈VDD不变。由于uO≈VDD，根据式（7.3.1）可得

当输入电压下降到使uI1＝UTH时，因为正反馈的作用使电路的状态在极短的时间内发生翻转，输出电压很快从高电平跳变为低电平，uO≈0V。

输入电压uI下降过程中，使电路状态发生翻转所对应的输入电压称为负向阈值电压，用UT－表示。根据式（7.3.4）得

由和上式可得

此后，如果输入电压uI继续下降，由于uI1＜UTH，输出状态维持不变。

由上分析可知，施密特触发器输出状态完全取决于输入电压的大小，当输入电压uI上升到UT＋或下降到UT－时，施密特触发器的状态才会迅速翻转，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。

三、工作波形及电压传输特性

根据以上分析，可画出对应的工作波形和电压传输特性如图7.3.3所示。从图7.3.3（a）中可知：以uO端作为电路的输出，电路为同相输出施密特触发器；如果以uO1作为电路的输出，电路为反相输出施密特触发器。它们的电压传输特性曲线分别如图7.3.3（b）、（c）所示。

施密特触发器正向阈值电压UT＋与负向阈值电压UT－之差，称为回差电压，用 ΔUT表示， ΔUT＝UT＋－UT－。

由式（7.3.3）和式（7.3.5）可求得

式（7.3.6）表明，电路的回差电压与成正比，改变R1、R2的比值即可调节回差电压的大小。