逻辑门脉冲信号发生器的设计与实现

4.3.1　逻辑门多谐振荡电路特性

在实际应用中，除555定时器构成的脉冲信号发生电路外，还常用到由逻辑门构成的脉冲信号发生电路。图4-14所示电路为由反相器构成的多谐振荡电路。图4-15所示为电路仿真结果。

图4-14　基于反相器的多谐振荡电路

微课　逻辑门多谐振荡电路

由图4-14和图4-15所见，电路在没有输入信号的情况下，输出端会产生矩形脉冲序列，因此，电路为自激振荡。

图4-15　基于逻辑门的多谐振荡电路的仿真结果

电路由两个反相器和电阻、电容构成。电路的振荡是靠电容器的充电和放电。电路刚上电时，如反相器F1的输出vO1为高电平，则反相器F2的输出vO为低电平，这时电容器C通过电阻R2充电，反相器F1的输入端电位vI上升，当其上升到F1的阈值电压时，F1导通，vO1输出低电平，F2截止，vO输出高电平，电容器又通过电阻R2放电，反相器F1的输入端电位vI下降，当其降低到F1的阈值电压以下时，F1又截止，vO1输出高电平，F2又导通，vO输出低电平。如此循环，在输出端vO输出脉冲信号序列。

由图4-15可见，电路中的两个反相器选用了CD4069芯片。CD4069是一款CMOS型集成六反相器，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）即互补金属氧化物半导体。为了更好地理解逻辑门脉冲信号电路的工作原理，在此介绍一下MOS管。

4.3.2　MOS管简介

1.结构及类型

MOS（Metal Oxide Semiconductor），金属氧化物半导体场效应管有3个电极，分别称为栅极（G）、源极（S）、漏极（D）。按结构MOS管可分为P沟道和N沟道两种，按原理有增强型和耗尽型。MOS管的电路符号如图4-16所示。

图4-16　MOS管的电路符号

（a）N沟道耗尽型；（b）P沟道耗尽型；（c）N沟道增强型；（d）P沟道增强型

2.MOS管原理

现以N沟道增强型MOS管为例介绍MOS管的基本工作原理。

N沟道增强型MOS管是以一块掺杂浓度较低的P型硅片为衬底，在衬底上面左右两侧制成两个高掺杂的N+区，并用金属铝引出两个电极，作为源极S和漏极D。在硅片表面覆盖一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，再在SiO2之上喷一层金属铝作为栅极G。另外，在衬底引出引线B，B通常在管内与源极S相连接。其结构如图4-17所示。

图4-17　N沟道增强型MOS管结构

对于N沟道增强型MOS管，当uGS≤0时，管子内部没有导电沟道，MOS管截止。在uGS＞0时，栅极下面的SiO2中产生了一个指向P型衬底且垂直向下的电场。该电场一方面排斥栅极附近P型衬底的空穴，留下不能移动的负离子，另一方面，吸引衬底中的电子。随着uGS的增加，衬底表面的电子增多，当uGS达到一定值（开启电压，一般为2～20 V）时，吸引过来的电子在P型衬底表面形成一个N型薄层，即导电沟道。沟道形成以后，在uDS的作用下，则有电流iD沿沟道从漏极流向源极，管子导通。即增强型NMOS管的导通条件是：uGS≥UTH（UTH是开启电压）。

如果用N型硅作衬底，而漏极和源极从P+区引出，则为PMOS管。PMOS管的uGS、uDS与NMOS管的极性相反。即增强型PMOS的饱和导通条件：uGS＜0，且|uGS|＞|UTH|（UTH是开启电压）。

3.MOS管特性(www.xing528.com)

MOS管与晶体管特性基本一致，也具有开关特性和放大特性，可用于构成逻辑门、放大器及存储器等。与晶体管相比，MOS管主要有以下优点。

①输入电阻高。可抑制输入信号衰减，多用于小电流、高精度、高灵敏度的检测仪器中。

②温度稳定性好，抗辐射能力强。宜用于环境条件变化较大的场合。

③噪声低。适用于稳定性要求高的场合。

④工艺简单，集成度高。在大中规模集成电路中广泛使用。

4.MOS管识别及检测

MOS管的封装形式现多见的是塑料封装和贴片封装，在使用中重点是识别和检测MOS管的管型、引脚极性等。

一般塑封型MOS管，面向文字标识面（平面），从左至右分别为G、D、S；贴片封装的MOS管，上面是D，下面从左至右分别是G、S，如图4-18所示。

图4-18　常见MOS管引脚分布

（a）贴片封装；（b）塑料封装

检测MOS管的类型，一般用万用表R×1 kΩ或R×10 kΩ挡，将黑表笔接栅极（G），红表笔分别接源极（S）和漏极（D），测量极间电阻，若测得的电阻值小，则为P沟道MOS管；若测得的电阻值大，则为N沟道MOS管。

判别MOS管的性能，一般用万用表R×100Ω挡，两表笔分别接漏极（D）和源极（S），用手捏住栅极（G），观察表针左右摆动情况，摆动的幅度越大，MOS管放大能力越强。

4.3.3　MOS管反相器

由增强型MOS管构成的反相器电路如图4-19所示。

图4-19中，两个MOS管形成互补对称结构，其中NMOS管VTN为开关管，PMOS管VTP是电路的有源负载。

电路的工作条件需满足：VDD＞（VTN+|VTP|），即电源电压大于两个MOS管的阈值电压绝对值之和。

电路的工作原理：当输入高电平，即vI=VDD时，VTN导通，VTP截止，vO输出近似为0；当输入低电平，即vI=0时，VTN截止，VTP导通，vO输出近似等于VDD。

图4-19　增强型MOS管反相器电路

4.3.4　逻辑门多谐振荡电路

由MOS管反相器构成的多谐振荡电路如图4-20所示。

图4-20　MOS管反相器多谐振荡电路图

由图4-20可见，上电时如vO1为高电平，则vO为低电平，MOS管VTN1和VTP2截止，VTN2和VTP1导通，电容器C通过VTP1、VTN2和电阻R充电，vI上升，当其达到VTN1的阈值电压时，VTN1导通vO1输出低电平，VTN2截止，VTP2导通，vO输出高电平；之后，电容C开始放电，vI下降，当其低于阈值电压时VTN1截止，VTP1导通，vO1输出高电平，VTN2导通，VTP2截止，vO输出低电平。