schmitt trigger 施密特触发器 【数字电路】
schmitt trigger
Hey guys, Just think about this situation!
对于一个理想运放，信号从正极输入的时候，如果信号大于0，超过了线性区域，输出的Vout是Vmax，同理输入小于线性输出Vmin，那么输出将是Vmin。
如果输入信号有时候会和0，“暧昧一下”，在受噪声的干扰情况下，会短暂和0V交越。
输出此时就会发生很短暂的跳跃，这种跳跃是不好的，这使得Op对于0V电压太过于敏感，如下图中最下面的红色输入信号。实际中我们往往会留取一定的阈值，这时候schmitt trigger就出现鸟。
施密特触发器利用了正反馈。
注意，此时输入电压不再直接和Op的接口A接触(如figure 1所示)，此时如figure 2 中所示，这里相当于把输入电压“移”到了R1的前面。这是个很重要的技巧。
由于添加了正反馈，这里什么时候会反生输出的电压翻转呢？以前没有正反馈的时候是0V，现在呢？
当Va == 0 V，Vout == Vmax的时候，Vin = -(R1/R2)Vmax ,这里可以知道，当Vin是一个负电压的时候，由于R1 和R2的串联分压的作用就会使得Va电压为0，Vin小于这个值输出Vout就会翻转，否则Vout == Vmax。
当Va == 0 V，Vout == -Vmax的时候，只有当Vin是个正电压的时候，Va才会被串联分压为0V，继续增大才会使得Va大于0，从而使得Vout == Vmax
正是这种方式，实现了两个阈值电压，一个Vh，一个V l，大于Vh才跳转为Vmax，小于Vl才会跳转到-Vmax
简直是曲折，过了几天了，仿真才做好。。。之前输出结果一直不对
问题抛出去问了好多人。。。最后还是自己搞定了。
问题在于Multisim的virtual 模型有问题，用实物芯片模型即可，当然不同的芯片输出的效果可能也不同。
这里我用的LM741.很简单的运放
可以看出仿真效果还是很好的，输出电压的Vmax = 4V左右,(10K/40K)*Vmax = 1V 左右
不得不感叹。。。schmitt这家伙太聪明了。。。。
如果希望Vh 是负电压，而Vl是正电压呢？
可以对正反馈电路稍作修改。如图
我用了两个1K的电阻，此时输出的Vmax在3.8V的样子，阈值电压 = Vmax * 1/(1+1) = 1.9V得到了很好的印证
如果希望移动对称阈值的中心点呢？
Rf 我用的5K，Vmax 用的 4V(实际输出的方波能达到3.9V)，用了1K和2K的电阻分别用来作为上图理论分析中的R1和R2.
于是Vh = 4*(1+1/5-1/2)/(1+1/5+1/2) = 1.647V（实际在1.53）
Vl = 4*(1-1/5-1/2)/(1+1/5+1/2) =
0.7059(实际在0.803) 可以看出还是吻合的很好的
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芯片spec中说道某引脚带带施密特触发器，代表什么含义？
如题，如果芯片spec中说道某引脚带带施密特触发器，代表什么含义？
我有更好的答案
一般的门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。
你指的一个阀值电压的很少用吧，我见过很多都是高电平有高电平阀值电压，低电平有低电平阀值电压，是不是这样的就是带施密特触发器的？还有，一般施密特触发器高电平阀值与低电平阀值之间的那段电压属于什么电压？加入某个电平落入到这个区域，电路如何判断他的逻辑？
给你参考：施密特触发器/3111144?fr=aladdin
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multisim12清华大学本科教育所用的例子
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本人亲测，都可以用。自己也是学电子的，所以好的资料就分享出来，希望对你有用。
主要包括：
模拟部分：
1-1 二极管加正向电压
1-2 二极管加反向电压
1-3 IV法测二极管伏安特性
1-4 用万用表检测二极管
1-5 例1.2.1电路
1-6 直流和交流电源同时作用于二极管
1-7 半波整流电路
1-8 全波整流电路
1-9 单向限幅电路
1-10 双向限幅电路
1-11 底部钳位电路
1-12 顶部钳位电路
1-13 振幅解调电路
1-14 振幅调制电路
1-15 稳压二极管稳压电路
1-16 发光二极管
1-17 光电控制电路
1-18 变容二极管应用
1-19 IV法测三极管伏安特性
1-20 用万用表测三极管
1-21 晶闸管功能演示
1-22 双向晶闸管功能演示
1-23 基本共发射极放大电路（1）
1-24 基本共发射极放大电路（2）
1-25 基本共发射极放大电路（3）
1-26 基本共发射极放大电路（4）
1-27 直接耦合共发射极电路
1-28 直流工作点的温度漂移
1-29 工作点稳定的共发射极放大电路
1-30 放大倍数与输入电阻的测量
1-31 输出电阻的测量
1-32 共集电极放大
1-33 共集电极放大电路（2）
1-34 共基极放大电路
1-35 复合管共射放大电路
1-36 复合管共集放大电路
1-37 共射-共基放大电路
1-38 共集-共基放大电路
1-39 共集－共射放大电路
1-40 NMOS管共源放大电路
1-41 直接耦合放大电路（1）
1-42 直接耦合放大电路（2）
1-43 直接耦合放大电路（3）
1-44 阻容耦合放大电路（1）
1-45 阻容耦合放大电路（2）
1-46 光耦合放大电路
1-47 差分放大电路
1-48 长尾式差分放大电路
1-49 镜像恒流源电路
1-50 比例恒流源电路
1-51 微恒流源电路
1-52 加射极输出器的恒流源电路
1-53 威尔逊恒流源电路
1-54 多路恒流源电路
1-55 放大电路的频率响应
1-56 输入电容对低频特性的影响
1-57 输出电容对低频特性的影响
1-58 射极旁路电容对低频特性的影响
1-59 晶体管对高频特性的影响
1-60 两级阻容耦合放大电路的频率特性
1-61 电压串联负反馈电路（1）
1-62 电压串联负反馈电路（2）
1-63 电压串联负反馈电路（3）
1-64 电流串联负反馈电路（1）
1-65 电流串联负反馈电路（2）
1-66 电压并联负反馈电路（1）
1-67 电压并联负反馈电路（2）
1-68 电流并联负反馈电路（1）
1-69 电流并联负反馈电路（2）
1-70 反相比例运算
1-71 同相比例运算
1-72 差分比例运算
1-73 反相求和运算
1-74 同相求和运算
1-75 加减法运算(1)
1-76 加减法运算(2)
1-77 积分电路
1-78 微分电路
1-79 对数运算电路
1-80 指数运算电路
1-81 无源低通滤波电路
1-82 一阶低通滤波电路
1-83 二阶低通滤波电路
1-84 二阶高通滤波电路
1-85 二阶带通滤波电路
1-86 二阶带阻滤波电路
1-87 全通滤波电路
1-88 全通滤波电路2
1-89 三运放数据放大器
1-90 RC串并联网络
1-91 RC桥式正弦波振荡电路
1-92 LC并联谐振电路
1-93 变压器反馈式LC正弦波振荡电路
1-94 电感反馈式LC正弦波振荡电路
1-95 电容反馈式LC正弦波振荡电路
1-96 改进的电容反馈式LC正弦波振荡电路
1-97 低失真正弦波振荡电路
1-98 矩形波振荡电路
1-99 占空比可调的矩形波振荡电路
1-100 三角波发生器
1-101 占空比可调的三角波发生器
1-102 OCL乙类互补功率放大电路
1-103 OCL甲乙类互补功率放大电路
1-104 OTL甲乙类互补功率放大电路
1-105 OCL甲乙类准互补功率放大电路
1-106 半波整流电路
1-107 全波整流电路
1-108 桥式整流电路
1-109 桥式整流电容滤波电路
1-110 桥式整流电感滤波电路
1-111 桥式整流LC滤波电路
1-112 桥式整流π滤波电路
1-113 桥式整流π滤波电路2
1-114 三倍压整流
1-115 稳压二极管稳压电路
1-116 串联型稳压电源电路
1-117 三端集成稳压电源7805的应用
1-118 三端集成稳压电源7905的应用
1-119 升压式开关稳压电源电路
1-120 降压式开关稳压电源电路
1-121升降压式开关稳压电源电路
数字部分：
2-1 与逻辑
2-2 或逻辑
2-3 非逻辑
2-4 与非逻辑
2-5 或非逻辑
2-6 与或非逻辑
2-7 异或逻辑
2-8 逻辑函数的转换（1）
2-9 逻辑函数的转换（2）
2-10 二极管开关电路
2-11 双极性三极管开关电路
2-12 MOS三极管开关电路
2-13 二极管与门电路
2-14 二极管或门电路
2-15 三极管非门
2-16 TTL反相器的基本电路及性能测试
2-17 TTL与非门电路
2-18 TTL或非门电路
2-19 TTL与或非门电路
2-20 TTL异或门电路
2-21 集电极开路门电路
2-22 OC门线与连接
2-23 三态输出门电路
2-24 74H系列与非门（74H00）的电路结构及性能测试
2-25 74S系列与非门（74S00）的电路结构
2-26 CMOS反相器的电路结构
2-27 CMOS反相器的输入保护电路及特性测试
2-28 CMOS与非门
2-29 CMOS或非门
2-30 漏极开路输出的与非门（CC40107）
2-31 CMOS双向模拟开关4066
2-32CMOS三态门 （1）
2-33 CMOS三态门（2）
2-34 Bi-CMOS反相器
2-35 Bi-CMOS与非门电路
2-36 Bi-CMOS或非门电路
2-37 三位二进制普通编码器
2-38 8线3线优先编码器74LS148
2-39 用两片74LS148组成的16线4线优先编码器
2-40 二-十进制优先编码器74LS147
2-41 用二极管与门阵列组成的3线8线译码器
2-42 3线8线译码器74LS138
2-43 两片74LS138接成4线16线译码器
2-44 二-十进制译码器74LS42
2-45 七段显示译码器74LS48
2-46 双4选1数据选择器74LS153
2-47 采用CMOS传输门结构的数据选择器4539
2-48 8选1数据选择器74LS152
2-49 半加器
2-50 双全加器74LS183
2-51 4位超前进位加法器74LS283
2-52 4位数值比较器4585
2-53 2线-4线译码器中的竞争-冒险现象
2-54 用或非门组成的基本RS触发器
2-55用与非门组成的基本RS触发器
2-56 同步RS触发器
2-57 带异步置位复位端的同步RS触发器
2-58 D锁存器电路
2-59 集成D锁存器74LS75
2-60 主从JK触发器74LS76
2-61 与输入主从JK触发器7472
2-62 CMOS传输门组成的边沿JK触发器4027
2-63 维持阻塞结构的边沿JK触发器74LS109
2-64 例5.2.1的时序逻辑电路
2-65 例5.2.3的时序逻辑电路
2-66 例5.2.4的时序逻辑电路
2-67 同步D触发器74LS75组成的4位寄存器
2-68 用维持阻塞D触发器74LS175组成的4位寄存器
2-69 用D触发器74LS74组成的移位寄存器
2-70 用JK触发器组成的移位寄存器
2-71 四位双向移位寄存器74LS194
2-72 用两片74LS194接成八位双向移位寄存器
2-73 例5.3.1电路及功能演示
2-74 用T触发器构成的同步二进制加法计数器
2-75 4位同步二进制加法计数器74LS161
2-76 用T'触发器构成的同步2进制加法计数器4520
2-77 用T触发器构成的同步2进制减法计数器
2-78 单时钟同步2进制可逆计数器74LS191
2-79 双时钟同步2进制可逆计数器74LS193
2-80 同步10进制加法计数器
2-81 同步10进制加法计数器74LS160
2-82 同步10进制减法计数器
2-83 单时钟同步10进制可逆计数器74LS190
2-84 用T'触发器构成的异步二进制加法计数器
2-85 用T'触发器构成的异步二进制减法计数器
2-86 异步10进制加法计数器
2-87 二-五-十进制异步计数器74LS290
2-88 用置零法将74LS160接成6进制计数器
2-88电路的改进
2-90 用置数法将74LS160接成6进制计数器（1）
2-91 用置数法将74LS160接成6进制计数器（2）
2-92 用两片74LS160按并行进位接成100进制计数器
2-93用两片74LS160按串行进位接成100进制计数器
2-94 按并行进位接成54进制计数器
2-95 用整体置零法接成23进制计数器
2-96 用整体置数法接成23进制计数器
2-97 能自启动的环形计数器
2-98 能自启动的扭环形计数器
2-99 用集成计数器和译码器构成的顺序脉冲发生器
2-100 用扭环形计数器构成的顺序脉冲发生器
2-101 例5.4.1 同步13进制计数器
2-102 例5.4.2 数据检测器
2-103 例5.4.3 自动售饮料机
2-104 用CMOS反相器构成的施密特触发器
2-105 用TTL门电路构成的施密特触发器
2-106 带与非功能的施密特触发器74LS13
2-107 CMOS施密特触发器40106
2-108 微分型单稳态触发器
2-109 积分型单稳态触发器
2-110 不可重触发集成单稳态触发器74LS121（1）
2-111 不可重触发集成单稳态触发器74LS121（2）
2-112 可重触发集成单稳态触发器74LS123
2-113 对称式多谐振荡器
2-114 环形振荡器
2-115 带RC延迟电路的环形振荡器
2-116 用施密特触发器构成的多谐振荡器
2-117 占空比可调的多谐振荡器
2-118 石英晶体多谐振荡器
2-119 555定时器电路结构及性能测试
2-120 555定时器接成的施密特触发器
2-121 555定时器接成的单稳态触发器
2-122 555定时器接成的多谐振荡器
2-123 555定时器接成的占空比可调的多谐振荡器
2-124 二极管ROM的电路结构
2-125 用MOS管构成的存储矩阵
2-126 2K8RAM功能演示
2-127 用PIC驱动的LCD
2-128 用MCU控制的水箱
2-129 用MCU组成的运算器
2-130权电阻网络DA转换器
2-131双级权电阻网络DA转换器
2-132倒T型电阻网络DA转换器
2-133并联比较型AD转换器
2-134计数型AD转换器
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评论共有28条
非常好。。。
很全面，适合使用学习
还不错，用着挺好
逐梦_person
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kuailexiaochuan
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multisim12清华大学本科教育所用的例子集成电路课程设计报告施密特触发器的设计与仿真院 系：XXXXXXXXXXXXXX专 业：XXXXXXXXXXXX学 号：XXXXXXXX姓 名：XXXXXXXXXX指导教师：XXXXX 教授报告提交日期： 2011 年 9 月集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX目摘录要 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 关键 词 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 1 引 言 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1.1 触发器及其应 用? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1.2 设计施密特触发器的意 义? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 2 施密特触发器及其工作原 理? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 7 2.1 工作原理分 析? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 7 2.2 施密特触发器的应 用? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 9 3 有关Pspice的介 绍? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 11 3.1 施密特触发器的起源与发集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX展? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 11 3.2 施密特触发器的组 成? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 11 3.3 施密特触发器的模拟功 能? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 13 4 施密特触发器的设计与仿 真? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 16 4.1 施密特触发器的电路设 计? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 16 4.2 施密特触发器的 Pspice 设计与仿 真? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 17 4.3 仿真结果的分 析? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 21 5 结 论 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 23 6 体会与心 得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 24 参考文 献 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 25 致 谢 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 26-1-集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX施密特触发器的设计与仿真摘 要：施密特触发器是一种用途十分广泛的脉冲单元电路。利用它所具有的电位 触发特性，可以进行脉冲整形，把边沿不够规则的脉冲整形为边沿陡峭的矩形脉冲； 通过它可以进行波形变换，把正弦波变换成矩形波；另一个重要用途就是进行信号幅 度鉴别，只要信号幅度达到某一设定值，触发器就翻转，所以常称它为鉴幅器。用施 密特触发器还能组成多谐振荡器和单稳态触发器。本文首先介绍了触发器的发展历程， 然后对施密特触发器的基本原理及其构成进行了详细的阐述。并且在介绍了CAD软件 Pspice的相关信息后对施密特触发器进行了电路设计以及仿真 ,并对实验结果进行一系 列的分析。 关键词：施密特触发器，波形分析，脉冲整形，变换电路，单稳态触发器Design and Simulation of Schmitt trigger Abstract: Schmitt trigger is a product with extensive pulse unit circuit. Use which has the potential trigger characteristics, can undertake pulse shaping. The edge of pulse shaping enough rules for edge steep rectangular pulse, through it can undertake waveform transform, the sine wave transform Another important use is carries on single amplitude identification, As long as the single amplitude up to a certain value, Flips-flop .So often called it amplitude discrimination device. Schmitt trigger still can use composed many harmonic oscillator and single state trigger. This paper firstly introduces the development course of the Schmitt trigger, the basic principle and its components in detail. In addition, the ordinary design and simulation methods of Pspice software are introduced, with which we can design and simulate the circuit of the Schmitt trigger, and a series of analysis are done. Keywords: Schmitt trigger, Wave analysis, Pulse shaping, Changing circuit-2-集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX1 引言1.1 触发器及其应用 如果电路在某一时刻的输出状态不仅取决于电路在这一时刻的输入状态，而且与电 路过去的状态有关，也就是说电路具有了记忆功能，这种电路我们称之为时序逻辑电路[1]。时序逻辑电路中能够完成记忆功能的电路叫做触发器，它是最重要、最基本的时序逻辑电路。触发器和组合电路可以组成多种时序逻辑单元电路，比如计数器、移位寄存 器、随即存储器等[2]。 按照触发器的功能，触发器一般可以分为 RS 触发器、D 触发器、JK 触发器、T 及 T`触发器、施密特触发器、单稳态触发器和无稳态单元-定时器等。而本次课程所设计的 就是触发器中比较常用的施密特触发器。 触发器可通过数据库中的相关表实现级联更改； 不过，通过级联引用完整性约束可以更有效地执行这些更改。触发器可以强制比用 CHECK 约束定义的约束更为复杂的约束。与 CHECK 约束不同，触发器可以引用其它 表中的列[3]。例如，触发器可以使用另一个表中的 SELECT 比较插入或更新的数据，以 及执行其它操作，如修改数据或显示用户定义错误信息[8]。触发器也可以评估数据修改 前后的表状态， 并根据其差异采取对策。 一个表中的多个同类触发器(INSERT、 UPDATE、 DELETE)允许采取多个不同的对策以响应同一个修改语句。 触发器可以查询其他表，而且可以包含复杂的 SQL 语句。它们主要用于强制服从复 杂的业务规则或要求。例如：您可以根据客户当前的帐户状态，控制是否允许插入新订 单。触发器也可用于强制引用完整性，以便在多个表中添加、更新或删除行时，保留在 这些表之间所定义的关系[2]。然而，强制引用完整性的最好方法是在相关表中定义主键 和外键约束。如果使用数据库关系图，则可以在表之间创建关系以自动创建外键约束。1.2 设计施密特触发器的意义 施密特触发器是由美国科学家奥托? 赫伯特? 施密特(Otto Herbert Schmitt)于 1934 年发 明，当时他只是一个研究生，后于 1937 年他在其博士论文中将这一发明描述为“热电子 触发器”[1]。这一发明是施密特对鱿鱼神经中的神经脉冲传播进行研究的直接成果。 在电子学中，施密特触发器是包含正反馈的比较器电路[8]。对于标准施密特触发器， 当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低； 当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电平翻转为低电平，或 是由低电平翻转为高电平对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时， 输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象，表明 施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器-3[3]。集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX电路图中的施密特触发器符号是一个三角中画有一个反相或非反相滞回符号。这一 符号描绘了对应的理想滞回曲线。图1非反相施密特触发器图2反相施密特触发器通常获得脉冲波形的方法主要有两种:利用多谐振荡器直接产生符合要求的矩形脉冲 和通过整形电路对已有的波形进行整形、变换,使之符合系统的要求[4]。而施密特触发器 就是后者中最常用的一种.同一般触发器相比,施密特触发器有如下工作特点： ① 施密特触发器有两个稳定状态，其维持和转换完全取决于输入电压的大小。 ② 电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压(正向阈值电压 和负向阈值电压)。 ③ 状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉。图3典型的施密特触发器工作波形图因此施密特触发器具有整形和幅度鉴别功能，可以将正弦波和其他不规则波形变换 成矩形波，是一种常用的脉冲波形变换电路。施密特触发器有两个稳定状态，但与一般 触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于 负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。 鉴于施密特触发器的工作特点，施密特触发器在开环配置中常用于抗扰，在闭环正反馈 配置中用于实现多谐振荡器。 ①抗扰 施密特触发器的一个应用是增强仅有单输入阈值的电路的抗扰能力。由于只有一个 输入阈值，阈值附近的噪声输入信号会导致输出因噪声来回地快速翻转。但是对于施密 特触发器，阈值附近的噪声输入信号只会导致输出值翻转一次，若输出要再次翻转，噪 声输入信号必须达到另一阈值才能实现，这就利用了施密特触发器的回差电压来提高电-4-集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX路的抗干扰能力。例如，在仙童半导体公司的 QSE15x 红外光电传感器家族中，放大式 红外光电二极管能产生电信号使频率在绝对最高值和绝对最低值间翻转。这种电信号经 过低通滤波后能产生平滑信号， 而这种平滑信号的上升和下降与翻转信号为开启或关闭 所需时间的相对量一致。滤波后的输出传递到施密特触发器的输入。实际结果是施密特 触发器的输出只从低电平过渡到高电平，而这一过程在接收到的红外信号以长于某个已 知时延的时间激励光电二极管之后，一旦施密特触发器的输出变为高电平，其输出只会 在红外信号不再以长于类似已知时延的时间激励光电二极管之后才会变为低电平。鉴于 光电二极管容易因为环境中的噪声发生伪翻转，由滤波器和施密特触发器实现的时延能 确保输出只在输入确实激励元件时才会翻转。 内建施密特触发器的元件：如上例所述，飞兆半导体公司 QSE15x 光电传感器家族 内建施密特触发器用于抗扰，而在很多开关电路中，内建施密特触发器也是处于相同的 原因，例如开关去抖动。 下列 7400 系列（英语：7400 series）元件在其全部输入部分都包含施密特触发器： 7413：4 输入端双与非施密特触发器 7414：六反相施密特触发器 7418：双 4 输入与非门（施密特触发） 7419：六反相施密特触发器 74121：单稳态多谐振荡器（具施密特触发器输入） 74132：2 输入端四与非施密特触发器 74221：双单稳态多谐振荡器（具施密特触发器输入） 74310：八位缓冲器（具施密特触发器输入） 74340：八总线反相缓冲器（三态输出） （具施密特触发器缓冲） 74341：八总线非反相缓冲器（三态输出） （具施密特触发器缓冲） 74344：八总线非反相缓冲器（三态输出） （具施密特触发器缓冲） 74540：八位三态反相输出总线缓冲器（具施密特触发器输入） 74541：八位三态非反相输出总线缓冲器（具施密特触发器输入） 74(HC/HCT)7541：八位三态非反相输出总线缓冲器（具施密特触发器输入） SN74LV8151：具有三态输出的 10 位通用施密特触发缓冲器 4000 系列元件中的多个型号在其输入部分都包含施密特触发器，例如： 14093：四 2 输入与非施密特触发器 40106：六施密特触发反向器 14538：双精度单稳态多谐振荡器 4020：14 级二进制串行计数器-5-集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX4024：7 级二进制串行计数器 4040：12 级二进制串行计数器 4017：十进制计数器（具 10 个译码输出端） 4093：2 输入端四与非施密特触发器 双施密特输入配置单门 CMOS 逻辑、与门、或门、异或门、与非门、或非门、同或 门： NC7SZ57（Fairchild） NC7SZ58（Fairchild） SN74LVC1G57（德州仪器） SN74LVC1G58（德州仪器） ②振荡器 施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器，可用来实现另一种多谐振荡器――弛张振 荡器。实现的方法是在反相施密特触发器上连接一个电阻－电容网络，具体步骤是将电 容连接在输入和地之间，将电阻连接在输出和输入之间。电路的输出是方波，其频率取 决于 R 和 C 的取值以及施密特触发器的阈值点。因为多个施密特触发电路可以由单个 集成电路（例如 4000 系列 CMOS 型元件 40106 包含 6 个施密特触发器）来提供，因此 只需要两个外部组件就可以利用集成电路未使用的部分来构成一个简单可靠的振荡器。 上例是一个基于比较器实现的弛张振荡器。此处，基于比较器的施密特触发器是反 相配置，也就是说输入和地是由下图所示的施密特触发器翻转，因此，绝对值很大的负 信号对应正输出，绝对值很大的正信号对应负输出。此外，接入 RC 网络的同时也接入 了慢负反馈。 结果就如右图所示， 输出从 VSS 到 VDD 自动振荡， 这一过程中电容充电， 输出从施密特触发器的一个阈值变化到另一个阈值。图4基于比较器的张弛振荡器图5基于比较器的弛张振荡器的输出和电容波形-6-集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX施密特触发器可由 TTLMCMOS 们组成，也可有分立元件组成。它的应用特别广泛， 无论是在 TTL 电路中还是在 CMOS 电路中，都有单片集成的施密特触发器产品。TTL 电路产品中有施密特 4 输入双与非门 CT5413MCT7413、 施密特六反相器 CT5414MCT7414、 施密特 2 输入四与非门 CT54132MCT74132 等。 CMOS 电路产品有施密特六反相器 CC40106、施密特 2 输入四与非门 CC14093 等.。这些产品在通信、广播、电视系统， 在工业、农业、生物医学等领域内都有着广泛的应用，同时在实验和设备检测中有着必 不可少的地位。 下面两表分别给出了几种典型 TTL 施密特触发器和 CMOS 施密特触发器的阈值电压 数值： 表1 参 数 VT + VT ? CT5413MCT7413 最小值(v) 1.5 0.6 最大值(v) 2.0 1.1 TTL 型施密特触发器阈值电压数值表 CT5414MCT7414 最小值(v) 1.5 0.6 最大值(v) 2.0 1.1 CT54132MCT74132 最小值(v) 1.4 0.5 最大值(v) 2.0 1.0表2 参数CMOS 型施密特触发器(CC40106)阈值电压数值表 VDD (V) 5 最小值(v) 2.2 4.6 6.8 0.3 1.2 1.6 最大值(v) 3.6 7.1 10.8 1.6 3.4 5.0VT +10 15 5VT ?10 15-7-集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX2 施密特触发器工作原理2.1 工作原理分析 下图是施密特触发器的典型传输状态:图6施密特触发器的电压传输特性( (a)反相特性(b)正向特性 )我们知道，门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电 平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普 通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电 压。 在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正 向阈值电压（VT+），在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化 的输入电压称为负向阈值电压（VT ?）。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电 压（?VT ）。普通门电路的电压传输特性曲线是单调的，施密特触发器的电压传输特性 曲线则是滞回的，通常称之为施密特触发器的回差特性或滞回特性。回差特性是施密特 触发器的固有特性，反映到电压传输特性曲线上就如上图所示。施密特触发器的整形和 调幅功能就是来自于它的滞回特性。图7用 CMOS 反相器组成的施密特触发器-8-集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX用普通的门电路可以构成施密特触发器[图 7]。 因为 CMOS 门的输入电阻很高， 所以 触发器的输入端可以近似的看成开路。把叠加原理应用到和构成的串联电路上，我们可 以推导出这个电路的正向阈值电压和负向阈值电压。当从 0 逐渐上升到VT+时,电路的状 态将发生变化.我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。 因为此时电路状态尚未 发生变化，所以仍然为 0。 VI′ = VTH = R 于是有公式 VT + = (1 + R 1 )VTH2R21 +R 21 = R1+R2 VT +R(1)R(2)与此类似，当Vi = VDD 时，Vo = VDD 。当从逐渐下降到VT ?时，从下降到，电路的状 态将发生变化。我们考虑电路状态即将发生变化那一时刻的情况。因为此时电路状态尚 未发生变化，所以仍然为 VDD = 2VTH VI′ = VTH = R 于是 VT + = (1 ?R1 R2 R2 R21+R 2 R 1+R 2 1 2 1 VI + R1+R2 V0 = R1+R2 VT + R1+R2 2VTH(3)R R R(4))VTH(5)通过调节或，可以调节正向阈值电压和反向阈值电压。不过，这个电路有一个约束 条件， 就是 R1 & R 2 ,如果就是 R1&R 2 ， 那么， 我们有 VT + & 2VTH = VDD 及 VT ? & 0 ， 这说明，即使上升到或下降到 0，电路的状态也不会发生变化，电路处于“自锁状态”， 不能正常工作。图8带与非功能的 TTL 集成施密特触发器-9-集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX集成施密特触发器比普通门电路稍微复杂一些。我们知道，普通门电路由输入级、 中间级和输出级组成。 如果在输入级和中间级之间插入一个施密特电路就可以构成施密 特触发器。集成施密特触发器的正向阈值电压和反向阈值电压都是固定的。 利用施密特触发器可以将非矩形波变换成矩形波。图9用施密特触发器对脉冲进行整形利用施密特触发器可以进行脉冲鉴幅图 10。图 10 2.2 施密特触发器的应用用施密特触发器鉴别脉冲幅度①波形变换：利用施密特触发器的回差特性，可以将正弦波或其他不规则波形变形 为矩形波。- 10 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX②脉冲波的整形：数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿 和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲。 ③脉冲鉴幅：所谓脉冲鉴幅，就是从一连串幅度不同的脉冲波中，选出幅度较大的 脉冲波来。幅度不同、不规则的脉冲信号施加到施密特触发器的输入端时，能选择幅度 大于预设值的脉冲信号进行输出。- 11 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX3 关于 Pspice 的介绍Pspice 是由 SPICE(Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis)发展而来的用 于微机系列的通用电路分析程序。于 1972 年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助 设计小组利用 FORTRAN 语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。 3.1 Pspice 的起源与发展 用于模拟电路仿真的 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)软件 于 1972 年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用 FORTR AN 语言开发 而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE 的正式版 SPICE 2G 在 1975 年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985 年，加州大学伯克利分校用 C 语言对 SPICE 软件进行了改写， 并由 MICROSIM 公司推出。1988 年 SPICE 被定为美 国国家工业标准。与此同时，各种以 SPICE 为核心的商用模拟电路仿真软件，在 SPICE 的基础上做了大量实用化工作，从而使 SPICE 成为最为流行的电子电路仿真软件。 Pspice 采用自由格式语言的 5.0 版本自 80 年代以来在我国得到广泛应用， 并且从 6.0 版本开始引入图形界面。1998 年著名的 EDA 商业软件开发商 ORCAD 公司与 Microsim 公司正 式合并，自此 Microsim 公司的 Pspice 产品正式并入 ORCAD 公司的商业 EDA 系统中。不久之后，ORCAD 公司已正式推出了 ORCAD PSPICE Release 10.5，与传统 的 SPICE 软件相比，Pspice 10.5 在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行 直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析 以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够 对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直 接进行电路仿真， 并且可以随时分析观察仿真结果。 PSPICE 软件的使用已经非常流行。 在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、 实验到定型过程中不可缺少的设计工具。 3.2 Pspice 的组成 Pspice 是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实 现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和 测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就 像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对 电路进行交直流分析、噪声分析、Monte Carlo 统计分析、最坏情况分析等，使用户的 设计达到最优效果。 以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算， 试验板搭试、 调整， 印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直- 12 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX至指标合格为止。这样往往需要反复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二 为一,为确定元件参数提供了科学的依据。它的优点主要有： ①为电路设计人员节省了大量的时间。 ②节省了各种仪器设备。 ③生产产品一致性好、可靠性高。 ④产品的更新率高、新产品投放市场快等。 Pspice 程序采用改进节点法列电路方程，用牛顿-莱普生方法的改进算法进行非线性 分析，用变节步长的隐式积分法进行瞬态分析，在求解线性代数方程组时，采用了稀疏 矩阵技术。 ①电路原理图编辑程序 Schematic Pspice 的输入有两种形式，一种是网单文件（或文本文件）形式，一种是电路原理 图形式，相对而言后者比前者较简单直观，它既可以生成新的电路原理图文件，又可以 打开已有的原理图文件。电路元器件符号库中备有各种原器件符号，除了电阻，电容， 电感， 晶体管， 电源等基本器件及符号外， 还有运算放大器， 比较器等宏观模型级符号， 组成电路图，原理图文件后缀为.sch。图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文 件以提供给模拟计算程序运行仿真。 ②激励源编辑程序 Stimulus Editor Pspice 中有很丰富的信号源，如正弦源，脉冲源，指数源，分段线性源，单频调频 源等等。该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改，并且可以直观 而方便的显示这些信号源的波形。 ③电路仿真程序 Pspice A/D 模拟计算程序是 Pspice A/D 也叫做电路仿真程序，它是软件核心部分。在 Pspice 4.1 版本以上，该仿真程序具有数字电路和模拟电路的混合仿真能力。它接收电路输入程序 确定的电路拓扑结构和原器件参数信息，经过原器件模型处理形成电路方程，然后求解 电路方程的数值解并给出计算结果， 最后产生扩展名为.dat 的数据文件(给图形后处理程 序 Probe)和扩展名为.out 的电路输出文本文件。 模拟计算程序只能打开扩展名为.cir 的电 路输入文件，而不能打开扩展名为.sch 的电路输入文件。因此在 Schemayics 环境下， 运行模拟计算程序时， 系统首先将原理图.sch 文件转换为.cir 文件， 而后再启动 Pspice A/D 进行模拟分析。 ④输出结果绘图程序 Probe Probe 程序是 PSPICE 的输出图形后处理软件包。该程序的输入文件为用户作业文本 文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat 的数据文件。它可以起到万用表，示波器 和扫描仪的作用，在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。随着计算机图形功能的不断增 强，PC 机上 windows95,98,2000/XP 的出现，Probe 的绘图能力也越来越强。- 13 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX⑤模型参数提取程序 Model Editor 电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。 尽管 PSPICE 的模 型参数库中包含了上万种元器件模型，但有时用户还是根据自己的需要而采用自己确定 的元器件的模型及参数。这时可以调用模型参数提取程序 Model ED 从器件特性中提取 该器件的模型参数。 ⑥元件模型参数库 LIB Pspice 具有自建的元件模型，元件的建立以元件的物理原理为基础，模型参数与物 理特性密切相关。元件的等效模型还有其工作条件与分析要求相关。在直流分析中，非 线性元件的等效模型是小信号线性等效电路；在瞬态分析中，非线性元件的等效模型考 虑到了电荷存储效应。双极管型晶体管采用 GUMMEL-POON 的积分电荷控制模型，结 型场效应管采用 SHICHMAN-HODGFS 的场效应管模型。 二极管模型既适用于结型二极 管，也适用于肖特基势垒二极管。MOS1 由 I-V 特性来描述，MOS2 是一个解析模型， MOS3 是一种半经验模型。除了分立元件参数库以外，还有集成电路的宏模型库，并提 供了一些著名器件和 IC 生产厂家的专有元器件参数库。 3.3 Pspice 的模拟功能 Pspice 程序的主要功能有非线性直流分析、 非线性暂态分析、 线性小信号交流分析、 灵敏度分析和统计分析。 ①直流分析 非线性直流分析功能简称直流分析。它是计算直流电压源或直流电流源作用于电路 时电路的工作状态。对电路进行的直流分析主要包括直流工作点分析、直流扫描分析和 转移函数分析。 直流工作点是电路正常工作的基础。 通过对电路进行直流工作点的分析， 可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。一 般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。直流扫描 分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特 定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。直流扫描分析 主要是为了获得直流大信号暂态特性。与直流扫描分析相类似的还有温度分析。在这种 分析过程中，将电路的温度作为扫描变量进行分析。因为电路的主要器件的特性都是与 温度有关的， 所以这就为分析电路在环境变化是的工作情况提供了一种非常有用的工具。 特别重要的是，通过这种分析，我们可以预测电路在某些特殊环境如极端温度条件或极 端电源电压条件或元件开路短路条件下电路的工作情况，从而在进行电路设计时采取必 要的预防措施。 ②暂态分析- 14 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX非线性暂态分析简称为暂态分析。 暂态分析计。 算电路中电压和电流随时间的变化， 即电路的时域分析。这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。时域分析是指在 某一函数激励下电路的时域响应特性。通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中 各点的电压和电流波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状 况，检查它们是否满足电路设计的要求。 ③交流分析 线性小信号交流分析简称为交流分析。它是 Pspice 程序的主要分析功能。它是在交 流小信号的条件下， 对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近 线性化，然后在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特 性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分 析。频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。这种分析主要用于分析电路的 幅频特性和相频特性。小信号转移特性分析主要分析在小信号输入的情况下，电路的各 种转移函数， 通常分析的是电路的电压放大倍数。 噪声分析是电路设计的重要内容之一。 在模拟电路中，无源器件和有源器件均会产生噪声，主要包括电阻上产生的热噪声，半 导体器件产生的散粒噪声和闪烁噪声。在噪声分析时，将元件的噪声等效为一个输入信 号进行交流分析。 通过噪声分析可以计算出各器件在某一输出节点产生的总噪声以及某 一输入节点的等效输入噪声。从而可以分析一个电路产生噪声的主要来源，采取一定的 电路设计措施来减小噪声的影响。 ④灵敏度分析 灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。直流灵敏度分析业称为灵敏 度分析。它是在工作点附近将所有的元件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路 性能影响的敏感程度。通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个元件对 电路的性能影响的重要程度。对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产 或元件的选择时给予特别的关注。 ⑤统计分析 统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。蒙特卡罗分析是在考虑到器件参 数存在容差的情况下，分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容 差变化的情况。另一种统计分析是最坏情况分析，它不仅对各器件参数的变化逐一进行 分析，得到单一器件对电路性能的灵敏度分析，同时分析各器件容差对电路性能的最大 影响量(最坏情况分析)，从而达到优化电路的目的。PSPICE10.5 个人认为它最为突出之 处，是改进了其 9.2 版本，使绘制电路，以及仿真算法更加优化，更加节省时间（以前 进行 1S 的仿真如果取点 ms 级，那将是非常恐怖的事情） ，而且蒙特卡罗分析和最坏情 况分析有助于我们模拟在不同温度和环境，以及元件损坏的情况下电路的实现过程及结- 15 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX果，那么我们就知道电路的弱点，以及电路中的最重要元件，就可以相应的对其采取保 护、散热等措施。 ⑥.cir 文件转换为.olb 库文件 经常碰到 orcad 仿真库中找不到某些器件的情况， 但是从这些器件的厂家网站上往往 可以下到其 spice model，一般是.cir 文件。- 16 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX4 施密特触发器的设计仿真与分析 4.1 施密特触发器的电路设计 本次设计针对施密特触发器的同向特性进行。其同向特性的宏模型如下图所示：图 11施密特触发器宏模型图形宏结构中关键的受控源E1 =A[k1 ? V 1 + k 2 V 3 ],形成反馈与放大作用。 其中 A 为打 压增益，k1 为上下出发电平的中心值，k 2 为正反馈系数，即有 k1 = 2 [X1 + X2 ]1 1k2 = [X2 ? X1] [Y2 ? Y1]A = 107(6)理想二极管 D1，D2 和电压源 V1，V2 形成输出振幅，且 V1 = 2 [Y2 ? Y1] 输出部分受控源 E2 = 2 [Y2 + Y1] ± V(3) 态翻转，如果是从低电平上升引起输出状态翻转，则符号式“―”。这里 Ri=1MΩ, Ro=1KΩ , X1=1V, X2=4V, Y1=1V, Y2=3V1V2 = ? 2 [Y2 ? Y1]1(7)(8)其中 V(3)前面的符号用以确定输入信号是从低电平上升还是高电平下降引起触发器状图 12滞后特性当输入为三角波时,预计输入输出波形如下图:- 17 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX图 13预计输出波形4.2 施密特触发器的 Pspice 设计及仿真Ⅰ.通过新建 project 并进入电原理图编辑状态,从各个元件库中提取原件组成电原理 图,并相应设置个器件的相应初始参数,并设置节点和设置分析类型。此过程中要注意器 件库的选择，因为 Pspice 中自带了许多库文件，库文件中囊括了几乎全部的设计单元器 件，但是不同的库中相同的元器件可能存在着一定的差异和参数的固化等问题。所以我 们要从合适的库中选择合适的设计单器件来完成电路的电原理图输入，否则设计的电路 图难以完成原理设计或者对实验结果造成一定的误差！ 设计的电原理图如下截图:图 14设计的施密特电原理图- 18 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XXⅡ.在 PSpice 仿真中，除了可以用图形编译外，还可以利用 PSpice 语言进行相应的 文本编译，其最终的仿真结果和图形编译的没有任何区别。同样，本次课程设计中也进 行了相关的文本编译。此次设计的施密特触发器对应的输入网单文件如下： A SCHMITT TRIGGER MODEL RI 1 0 1MEG E1 2 0 POLY(2) (1,0) (3,0) + 2.5E7 -1E7 1.5E7 R1 2 3 1T C1 3 0 1E-15 D1 3 4 DM V1 4 0 1 D2 5 3 DM V2 5 0 -1 E2 6 0 POLY(1) (3,0) 2 -1 R2 7 0 1G RO 6 7 1K MODEL DM D N=0.001 VI 1 0 PWL(0 -5 2U 5 4U -5) TRAN 10N 4U PROBE END Ⅲ. 对设计好的电路原理图进行仿真,仿真过程中可以清晰的观察输入电压 V(1)的波形如下截图:- 19 -集成电路设计6.0V施密特触发器的设计与仿真XX4.0V2.0V0V-2.0V-4.0V-6.0V 0s V(1) Time 0.4us 0.8us 1.2us 1.6us 2.0us 2.4us 2.8us 3.2us 3.6us 4.0us图 15输入电压 V(1)波形可以看出输入电压为三角波：当 T=0 时输入电压为 -5V;T=2us 时，输入电压为 5V;T=4us 时输入电压变至-5V.在 0 2us 和 2us 4us 时，输入电压分别线性增加减少。对 应输入网单文件中的 VI 1 0 PWL(0 -5 2U 5 4U -5) 然后我们观察输入的电压波形 V(7),可得清晰波形如下截图:6.0V4.0V2.0V0V-2.0V-4.0V-6.0V 0s V(1) V(7) Time 0.4us 0.8us 1.2us 1.6us 2.0us 2.4us 2.8us 3.2us 3.6us 4.0us图 16输出电压 V(7)波形图中三角波形为输入的三角波 , 而矩形波形则是整形后输出的矩形波。由图可知在 T&1.8us 时触发器工作在禁止状态，输出电压为 0v：而当 T=1.8us 时触发器临界工作， 输出电压瞬间变至 3v， 再次此后的一定时间内触发器对输入波进行恒定输出， 直至输入 电压下降至 1v 时触发器再次回到临界状态，输出电压回至 0V。- 20 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX我们知道对施密特触发器当输入电压由低向高增加， 到达 V+时， 输出电压发生突变， 而输入电压 Vi 由高变低，到达 V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的 现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路。我们知道，对于标准施密特触发器，当 输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当 输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电平翻转为低电平，或是 由低电平翻转为高电平对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时， 输出才会变化。 由图可知所设计电路很好的对输入波形进行了整形，把边沿变化缓慢的三角形信号 变换为边沿很陡的矩形脉冲信号，实现了施密特触发器的整形和幅度变换功能，获得较 理想的矩形脉冲。所以说实验电路的设计整体上是成功的。 下面是对电路中其他一些器件的电压波形展示： 这是电流 I(E1)的波形:50uA0A-50uA-100uA 0s I(E1) Time 0.4us 0.8us 1.2us 1.6us 2.0us 2.4us 2.8us 3.2us 3.6us 4.0us图 17电流 I(E1)波形图可以看出电流 I(E1)在初始时刻线性增大，在输入电压上升到一定程度时有一个突 变过程，然后在一段时间内电流线性增加至一峰值。是因为输入电压上升到阈值电压 V+,管子导通，触发器开始工作，自然对电流大小产生一定影响。但是随着电压的继续 增大，电流 I(E1)开始线性下降至一时刻后突然变小，之后一直线性减小。这是因为输 入电压为三角波，在上升一定至峰值后开始下降，导致管子闭合，触发器停止工作，是 电流 I(E1)出现骤变。 下图是电流 I(RO)波形：- 21 -集成电路设计3.2nA施密特触发器的设计与仿真XX2.8nA2.4nA2.0nA1.6nA1.2nA0.8nA 0s I(RO) Time 0.4us 0.8us 1.2us 1.6us 2.0us 2.4us 2.8us 3.2us 3.6us 4.0us图 18电流 I(RO)波形由实验电路原理图和施密特触发器的原理分析公式 VI′ = VTH = 可求得 R2 R2 VI + R1 R2 R1 V0 = VT + 2V R1 + R2 R1 + R2 R1 + R2 THR1+R 2 R1+R 2k1=2.5,k2=1.5 V1 = 2 [Y2 ? Y1]=1，V2 = ? 2 [Y2 ? Y1]=-11 1当 Vi 大于 VR 时运算放大器的输出会得到一个正向电压输出； 若 VR 大于 Vi 时则会 得到一个负电压。电压的大小则由两个齐紊二极管来限压。理想的运算放大器其输出上 升时间为 0，而在实际的电路上是上可能得到这么理想的曲线，一般从负压上升到正压 需要一小段的上升时间。如果参考电压 VR 固定，那么当 Vi 慢慢增加时，仅在 Vi-VR RV1 时。运算放大器的输出达到 Vmax；而当 Vi 渐渐减小时却必须于 Vi-VRQV1 伏特 时，输出才为 Vmin。也即，欲达 Vmax 及 Vmin 输出电压的条件上一样，两者 Vi-VR 值相差 V1。 4.3 仿真结果的分析 由上面的输出电压 V(7)波形图对应其原理设计的预计输出波形图可知,此次触发器 的设计是成功的,所涉及的电路成功的将三角波整形为矩形波，实现了施密特触发器的 整形功能并且输出波形的幅度也有一定的变化，这是施密特触发器的鉴幅功能. 但是仔细观察还是能看出理想输出波形与实际输出波形之间还是存在一定的差异的. 这是因为理想情况下指的是各器件均为理想器件，没有器件的参数容差影响，Tc=27℃- 22 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX的情况。理想情况下的瞬态分析波形图是最符合设计要求的波形图。在绘制电路原理图 的时候，所用到的器件不可能完全是精确的，而且，由于制造工艺上的问题，所用的器 件参数不会同我们仿真软件中器件库中器件的参数一样，因此，这样就会产生一个误差 问题。 通过上面的仿真可以看出设计基本符合预期符合效果， 但是还有有一定的误差的， 而产生偏差的主要原因有： ① 测量人员的读数误差； ② 元器件本身参数的示值误差； ③ 工程近似计算式引入的理论计算误差； ④ 软件本身的原因所导致的误差。 实验过程中的误差可以通过如下一些途径来避免:从合适的库中选取合适的器件来 连接生成电路原理图,并根据题设尽可能的提高参数的设置精度;仿真过程中尽量减少 人为误差等等!- 23 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX5 结论至此本次施密特触发器的设计的所有设计及仿真全部完成.首先要生成仿真波形文件， 在生成仿真波形文件以后，则可以开始进行仿真，此时观察的便是其时序波形图，研究 电路随其时钟信号的到来而出现相应的脉冲。从仿真可以看出施密特触发器能够将三角 波或者其他不规则波形转换为矩形波。也就是通常说的施密特触发器的滞回特性或回差 特性。出了具有回差特性外,施密特触发器还可以通过增加一些逻辑门电路,形成施密特 触发与门,非门及与非门等。- 24 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX6 体会与心得在这次课程设计中，首先我搜集并阅读了不少关于施密特触发器的资料和文献；然 后又复习了以前学的一些专业课知识，尤其是 VLSI、VHDL 以及数电模电的应用，最 终才拟定设计方案，采用了 Pspice 设计并对电路进行仿真.由于是第一次使用 Pspice 这 个软件,在开始的时候困难重重，如编译出错、模块整合后的一些层次化不对等问题。 尤其是触发器设计中有个受控电压源的设计 ,在查阅无数资料,上网搜索许久后对它的 连接方法还是不甚明了,最后还是打电话给了我的任课老师杨红娇老师询问以后才得以 解决这个问题.当然设计过程中问题不仅这些,不过最后都或通过与同学讨论、查资料或 询问相关老师使得问题得以解决.当然也遗留了一些问题，希望在以后的学习中能知道 答案。从以上的设计、仿真和分析过程以及许多文献中都可以看出施密特触发器的相关 知识和运用远远不止这些，但是由于诸多条件以及自身原因，目前只能做到此等程度。 但是在以后的学习中一定会好好学习，加以改正和提高。 通过这次课程设计，我发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但 在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。本次课程设计 是从理论到实践的一种升华， 使我认识到只有通过仿真验证， 证实了某种设计的正确性， 才可以进入实物的制作阶段， 在各部分设计和仿真的过程中， 一定要有认真扎实的态度， 千万不能盲目，不能投机取巧，这样可以节省大量的制作成本，减少不必要的浪费。还 有，在以后的学习和工作中，一定要抓住学习和实践相结合，要多学多用 由于设计者水平有限,设计中难免会有不妥和错误之处,敬请读者批评指正。- 25 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX参考文献[1] John P.Uyemura. 超大规模集成电路与系统导论[M]. 北京： 电子工业出版社, 2004. [2]童诗白,华成英. 模拟电子技术基础(第四版). 北京： 高等教育出版社,2003. [3]邱关源,罗先觉. 电路. 北京： 高等教育出版社, 1999. [4]邹逢兴,史美萍. Digital Electronics Based on IC. 北京： 电子工业出版社, 2007. [5]龙忠琪. 数字集成电路教程(第二版)(龙忠琪主编). 北京： 科学出版社, 2005. [6]阎石. 数字电子技术基础(第五版)[M]. 北京： 高等教育出版社, 2008. [7]高文焕,汪蕙. 模拟电路的计算机分析与设计―Pspice 程序应用. 北京：清华大学出版 社, 2001. [8]侯伯亨,顾新. VHDL 硬件描述语言与数字逻辑电路设计(修订版)[M]. 北京： 西安电 子科技大学出版社, 2005.- 26 -集成电路设计施密特触发器的设计与仿真XX致谢首先感谢我的指导老师唐明华教授，他带领我们学习了 VLSI 课程，对我们给予了 悉心的教导， 他认真严谨的科学态度也深深影响了我； 另外还有我的 VHDL 课任老师汪 洋老师以及辅导老师杨红娇，她们给了我很多学习软件的宝贵意见和经验。 同时，我要感谢整个微电子专业的同学们，在做报告的过程中是我们探讨了不少问 题，互相帮助，克服困难，可以说课程设计的顺利进行离不开他们的帮助。总之,感谢所 有给我帮助的那些人!- 27 -