脉冲电路 刘鹏 浙江大学 信息与电子工程学院 May 18, 2017 数字系统设计I

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1 脉冲电路 刘鹏 浙江大学 信息与电子工程学院 liupeng@zju.edu.cn May 18, 2017 数字系统设计I
ZDMC – Lec. #19

2 数字系统设计I 概述 施密特触发器 单稳态触发器 -微分型 -积分型 ZDMC – Lec. #19

3 概述 获取矩形波形 参数 脉冲周期T 脉冲幅度Vm 脉冲宽度Tw 上升时间tr 下降时间tf 占空比q 描述矩形脉冲特性的主要参数
数字系统设计I 概述 参数 脉冲周期T 脉冲幅度Vm 脉冲宽度Tw 上升时间tr 下降时间tf 占空比q q= Tw/T 获取矩形波形 多谐振荡器电路 整形电路变换已有的周期性波形 描述矩形脉冲特性的主要参数 ZDMC – Lec. #19

4 一阶线性电路的暂态分析 1.什么叫一阶电路？ 例： K C1 K C1 R1 C2 R1 R2 E C2 R2 E R1 +R2 C1 R2
数字系统设计I 1.什么叫一阶电路？ 一个独立的储能元件的电路。即经串、并联可化简为RC （或RL）电路。 例： R1 R2 C2 C1 E K R1 R2 C2 C1 E K R1 +R2 R1 R2 C2 C1 高价电路 一价电路 ZDMC – Lec. #19

5 2. 一阶电路的分析 解微分方程法 三要素法 前提？ 阶跃信号 （1）三要素 时间常数τ： 初始值x(0+)： 趋向（稳态）值x(∞)：
数字系统设计I 2. 一阶电路的分析 解微分方程法 三要素法 前提？ 阶跃信号 （1）三要素 时间常数τ： 初始值x(0+)： 趋向（稳态）值x(∞)： 电容不再充放电，ic=0.此时，电容可视为开路。 电感电流不再变化，vL=0.此时，电感可视为短路。 ZDMC – Lec. #19

6 施密特触发器 特点 输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。
数字系统设计I 施密特触发器 特点 输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。 在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。 将边沿变换缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。 ZDMC – Lec. #19

7 施密特触发器 一.CMOS非门构成 3 . 原理 1 . 电路组成 当 2 . 符号 当 假设：CMOS为理想器件，即 (1)
数字系统设计I 施密特触发器 3 . 原理 1 用门电路组成施密特触发器 假设：CMOS为理想器件，即 一.CMOS非门构成 1 . 电路组成 (1) 与vi、vo均有关 当 条件： 电路输出低电平 2 . 符号 负向阈值电压 负向向阈值电压表明从高到低的一个变化 当 电路输出高电平 正向阈值电压 ZDMC – Lec. #19

8 （2）当VT- < vI < VT+时？
波形分析 当vI<VT-时，VO=0（OA段、DE段） 当vI>VT+时，VO= VDD（BC段） 当vI从0变大时， O 正反馈 正反馈 vI<VT+时， ,VO=0（AB段） vi略大于VT+时，有一正反馈过程 O VO 当VI 从VDD变小时， VDD vI>VT-时， ,VO=VDD（CD段） VO vi略小于VT-时，有一正反馈过程 A B C D E ZDMC – Lec. #19

9 4.电压传输特性 vo=f(vI) vo vI vI 同相施密特 O VDD VDD/2 VT+ VT- 特点：滞后特性 反相施密特 O
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10 一 波形变换（整形） 施密特触发器的应用 抗干扰能力与滞后电压大小有关。 例1： 用反向比较器 比较电平 用反向施密特触发器 VT+ VT-
数字系统设计I 施密特触发器的应用 例1： 用反向比较器 一 波形变换（整形） 比较电平 用反向施密特触发器 VT+ VT- 抗干扰能力与滞后电压大小有关。 与电压比较器区别？ 抗干扰能力强 ZDMC – Lec. #19

11 数字系统设计I 二、用于脉冲鉴幅 功能：筛选出幅度大于某一阀值的脉冲。 阀值 ZDMC – Lec. #19

12 单稳态触发器特点 触发器有两个稳定的状态，即0和1，所以触发器也被称为双稳态电路。
数字系统设计I 单稳态触发器特点 触发器有两个稳定的状态，即0和1，所以触发器也被称为双稳态电路。 与双稳态电路不同，单稳态触发器只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是0，要么是1。 单稳态触发器的工作特点是： 在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态； 受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态”。假设稳态为0，则暂稳态为1。 经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数。 积分电路是一种求和平均电路(积分 = 求和)，而微分电路是一种提取信号变化部份的电路，信号变化越快，输出越大(微分 = 求变)。 单稳态触发器被广泛用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）等 ZDMC – Lec. #19

13 数字系统设计I 积分电路与微分电路 对于有RC构成的积分电路来说，输出取自电容，输出电压是与电容上的电压成正比的。从电容特性知道，电容上的电压正比于它上面的电荷，而电容上的电荷是流过电容电流在时间上的积分(记住电流的概念是单位时间流过的电荷)，所以输出电压正比于对电容电流的积分，故称积分电路。 微分电路的输出是在电阻上取出的(关键的区别!!)，根据欧姆定律，电阻上的电压正比于流过电阻的电流，而流过电阻的电流也就是流过电容的电流。从上面讨论知道，流过电容的电流正比于电容上电压的微分，所以，输出电压正比于电容电压的微分，故称微分电路。 ZDMC – Lec. #19

14 数字系统设计I 微分电路 微分电路：    电路结构如图W-1，微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输出的尖脉冲波形的宽度与R*C有关（即电路的时间常数），R*C越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。此电路的R*C必须远远少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了，一般R*C少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。 ZDMC – Lec. #19

15 数字系统设计I 积分电路 电路结构如图J-1，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理很简单，都是基于电容的充放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。 ZDMC – Lec. #19

16 2.在触发脉冲（外力）作用下，电路可进入暂稳态，并在暂稳态持续一段时间后，自动返回稳态。
单稳态触发器 数字系统设计I 概念 不稳定 1.电路有稳态和暂稳态两个状态。 2.在触发脉冲（外力）作用下，电路可进入暂稳态，并在暂稳态持续一段时间后，自动返回稳态。 外力 3. 暂稳态持续一时间与电路参数有关，与触发脉冲的宽度和幅度无关。 稳定 示意框图 暂稳态 单稳态 触发脉冲 输出 稳态 注意： 触发脉冲也可负脉冲； 电路也可以输出负脉冲。 ZDMC – Lec. #19

17 用门电路组成的单稳态触发器 一、微分型单稳态触发器 2.原理： 1.电路组成（CMOS门和RC微分电路） （1）求稳态：
数字系统设计I 用门电路组成的单稳态触发器 一、微分型单稳态触发器 2.原理： 1.电路组成（CMOS门和RC微分电路） 一般：R>>1k,分析时可怱略ROH、ROL的影响 对于CMOS门，可作以下近似： 输入微分 （1）求稳态： 电路不再充放电，电路可视为 开路。 输入微分作用： 使触发信号对暂稳持续时间不影响 为下一阶段服务 ZDMC – Lec. #19

18 vc O O (2)准稳态：加入触发脉冲 启动正反馈过程，电路进入准稳态 O O VTH 准稳态等效电路 O 保证 保证， Vd可撤 O
数字系统设计I O O (2)准稳态：加入触发脉冲 启动正反馈过程，电路进入准稳态 O O VTH 准稳态等效电路 O 保证 保证， Vd可撤 O 充电 准稳态 稳态 当 VI2上升至略VTH时，启动正反馈过程，准稳态结束 ZDMC – Lec. #19

19 数字系统设计I 求准稳态持续时间tw ？ O VTH 准稳态等效电路 充电 tw ZDMC – Lec. #19

20 vc （3）恢复期 求恢复期Tre，电路达到稳态的时间 恢复期等效电路 O 1.5VDD 趋向VDD VTH 放电
数字系统设计I O VTH （3）恢复期 恢复期等效电路 1.5VDD 趋向VDD 放电 求恢复期Tre，电路达到稳态的时间 Rs是保护电路的二级管的导通电阻；图 page 84 恢复期 理论上，达到稳态需∞时间； 一般认为，（3~5）τ时间基本上达到稳态 ZDMC – Lec. #19

21 二、积分型单稳态触发器 1.电路组成（TTL门和RC积分电路） t t t 原理： tw 计算tw ？ t O O O VTH O 等效电路
数字系统设计I 二、积分型单稳态触发器 O t 1.电路组成（TTL门和RC积分电路） t O O t VTH 原理： tw 计算tw ？ O t 等效电路 在tw期间，VA为高电平 ZDMC – Lec. #19