第四章时钟电路形式表示112338Word文件下载.docx
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离散过程与模拟过程。
4用数学公式表示不同信号间的集合方程。
5器件的方程。
6电路分析：
电压与电流公式。
是否需要限制电流。
用到那个器件，就看那个器件，并总结。
反相器（最大输出值VOH，最小输出值VOL）的阈值电压有一个变化范围，TTL门电路
高低电平对应的标准电压：
V°
H=3.6V;
Vx=O.4V；
Vl=O.8/；
Vih=2V。
CMOS门电路高低电
一1
平对应的标准电压：
VOH二VdD；
Vol=0V；
开启电平Vtn=Vtp=Vt。
若VhL-V:
输出V与
输入正弦信号V|的正向特性，但是只在特定时间点跳变，使上升和下降的连续曲线变成上
跳变与下跳变边，Vo与V|'
同变化。
阈值触发器初始状态（？
？
？
有中断的感觉）V=0=V。
=VOL：
0,VI'
:
、。
乂=vDD。
当输入电压V|逐渐升高，输出电压的状态由于阈值电压的变化范围不会马上翻转；
当
V|'
=VtH时，反相器Gi进入了放大区，V|L，引发正反馈过程：
V|LtV|'
tv°
4v°
A
根据模拟电路的反馈原理，R-构成正反馈电路。
根据叠加原理V,的大小有两个源决定：
输入信号V|和反馈的输出信号Vo，有公式（4-1）:
r^Vo
r+r2R+尺
要求R<
R-,否则电路进入自锁状态，不能正常工作•的翻转过程是很快的，因此①在V从0开
1始的上升阶段，认为Vo保持0不变，当V|VddLVth时,V|'
由V|单独决定，所以有：
2
Ra
V|=Vth2V|
RR-
且％=0.从V|'
的值可得，
Vi=（i旦）VthLvt.
R2R2
VT称为输入电压V|的正向（上升）阈值电压•在上升跳变时，输出值为0,因此输出反馈为0,
只有Vi一个来源。
在此后的上升过程，V。
保持Vdd值不变，设输出反馈为VofA0•
②在下降过程，V|从Vdd开始下降，认为Vo保持Vdd，V°
i=0，当《'
=亍°
°
1_虫时仮相器Gi
进入了放大区，V|L，引发正反馈过程：
V|L■■V|、JVoirV。
-
个
有：
VthR^ViJVdd,可得：
V=-R^R2Vth-旦Vdd•根据数值等式Vdd=2Vth,可得:
R+R2R+R2R?
R
RI
Vi=（1-?
）Vth収_,
VT_称为负向（下降）阈值电压•在下跳变边，Vi'
有两个来源Vi,Vo,所以VT_：
：
VT.，则VT.-VT
称为回差电压.IVt,有:
.Vt=Vt•—Vt_=2旦Vth
R?
Vi受到V的影响是连续变量,
Vo,Voi,Vf都是离散变量，施密特触发器使连续信号具有离散
性。
在输入正弦波Vi的整个周期内，有集合方程的表格形式分析电路的动态过程（对照性要强）：
（公式推理，集合方程不同的用途，拿到一个图怎么分析？
）
Vi,Vf,Vi'
Vo!
Vo•，反馈量的分析与值的规定。
111111
VI—{0,（0,—VDD—VDD,（—Vdd,VDD,—VDD—VDD,（—Vdd,0）}=
222222
111111
V01=_（Vi）={Vdd（0）,Vdd（0,—Vdd）,0（—Vdd）,0（—Vdd,Vdd，—Vdd）,Vdd（—Vdd）,Vdd（一Vdd,0]}
2222221111'
={Vdd[0,—Vdd）,0[—Vdd,Vdd,—Vdd）,Vdd[—Vdd,0）}=Vo={Vdd,0}
2222
—111—1
=Vo=—（VoJ二{0（Vdd）,Vdd（0）}={0（[-Vdd,Vdd,-Vdd））,Vdd（[0,-Vdd）Vdd,0））}
设Vo的反馈量为Vf，且Vi'
R^ViVo，则器件的集合方程为（？
是否能用
R1+R2R+R2
序偶的形式表示反馈）：
Vi二{0,（0,Vt）,Vt,（VtMax,Vt」,Vt_（Vtt0）}{R,R
Vf={0,0,0,1Vdd,1Vdd,0,0}
R1R2R1R2
*1'
仙。
处）,2Vdd,中DdMd^Dd）中DD^DD,。
）}
=V°
（Vi）T0,0（（0,Vt.））,0（Vt）,Vdd（（Vt.,Vmax,VtJ）,Vdd（VtJ,0（（Vt^0））}-{0,Vdd}
fR+R1R
Vt12Vth二（1竺）Vth
&
二<
|R
Vt_=（1L）Vth
R2
说明：
翻转电压的数值都是最值（拐点？
）。
T的+:
表示上升，-表示下降。
从公式中计算
出来。
使用施密特触发器时应遵守以下条件：
V0H血：
心憾“，保证当V。
二V°
h时，反相器
在分析数字电路时，不能从中间的电路构成分析，那是设计时的原则。
在分析时，应先
计算电路模型的函数公式，根据要求得到的输出值（在数字电路中一般为两个值），计算出
所需输入电压的变化范围，以及电路的状态转变。
特殊结构正反馈的功能需表示出来。
此外,使用Vi的三个值（0,vt_,VT.）可得三值电路。
实用的施密特触发器的结构见下图：
Vo'
图4-4TTL门构成的施密特触发器
分析：
使用与门的原因，因为输入从高到低时，二极管截至（？
）,所以通过另一个输入端作用增加二极管的作用：
两个电阻的值不能很大，当Vo输出VoH时防止G2负载电流过大•
初始状态V=0=V。
-0,VI'
：
-0,VO1=VDD.Gi截至，反相器G2导通•设ttl门阈值电压为
Vth•当Vi=Vth时,Vi'
Vth,电路状态不翻转•ViL，使Vi'
=Vth,正反馈结构使Gi导通，G?
截至,
使V0二Voh,则ViLVt.,若忽略Gi的输入电流，可得（？
），
Vi詛H二Vo-Vr2二Vo-（Vo-Vt.-Vd）2&
V。
=0,则:
R十尽
R+R2丄
Vt1MVd
同理:
J%,则回差电压*t=—=斛％
因为回差电压的存在，使输入电压在回差电压内变化，不会使电路状态翻转，因此若信号
的高低电平沿发生震荡或有噪声叠加，能够使用施密特触发器整形•另外单独使用VT.,可作为
鉴相器，使小于vt.幅度的矩形脉冲不能被输出•施密特触发器一个重要的应用是作为多谐振
荡器•
阻-容-管星形组合器功能分析。
对周期的控制。
•单稳态触发器
或非门组成的微分型单稳态触发器电路的两个或非门通过RC微分电路耦，结构见
下:
图4-7或非门微分型单稳态触发器
Vc与Vr构成模拟部分，作为或逻辑门G2的两个输入端。
数字部分：
一个或非门构成
的触发器。
数字逻辑门阈值转换状态
2微分电路的作用。
电容两端都在同一个线路里，两个边电压能够突变，输入电容的变化量直接接到电容的一边，电源常量通过电阻连接到电容的另一边，电容端电压
Vc=g（VDD,R,Voi）-V°
i。
以数字电路为主，没有输入的模拟信号，则注意分析初始稳态。
充电，放电，电压三个状态。
确定电压稳态，初始值
Voi=1,Vc=0=Vdd■f（Voi,Vdd）1Voi=0f（VDD—Voi）=f（0）=i,Vr二Vddi（c=Z）
Voi=0，Vc•=（0，vdd]LL（0,vdd]
Vc=VDD（）-V0I=
Voi=0，vc+=（0，vdd]lL（0，vdd]放电
Vc=VDD（）-V0I='
f+（VO仁i），f-（VO仁0），g（VOI,VR,VDD），
f（VOI）=（0,I,Z）:
0:
下降为0,i上升为I，Z保持值不变。
VR（0）=f（Voi）*VR+f（VOI）g（VOI,VR,VDD）=g（VDD-VR（0））=（I,0,Z）:
I充电，0放电，Z:
保持.
延时:
使跳变变成曲线，延迟过程.VR赋值:
微分一数字跳变赋值；
积分---模拟赋值曲线上升•电容先赋值再变化；
积分:
缓慢变化.
VR引起的变化，作为或非门的输入端•充放电到阈值，阈值是影响过程的变化值VR是连续值•
对VOI的影响，充电Q（VR,离散值,VDD）
工作过程分析：
电压态，电路断开态。
•稳态：
没有高电平的输入信号
G2的两个输入端经电阻都接Vdd，只能在输出0的电路构成通路，因此V°
2为低电平，
再连接到Gi的输入端，所以没有触发信号时，设Vi为低电平，所以Voi为高电平，可得电
容两端的电压Vc为0，电路的状态能够保持，称为稳态，（Voi,Vo2）=（I,0）,Vi=0.
（2）Vi外加高电平触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态
当Vi正跳变时为高电平，使Voi变为低电平，Vc不能突变，使Vr变为低电平，贝UG2门的输入不再由Vdd决定，输出Vo2变为高电平，作为Gi的输入端使Voi在Vi为低时，仍保持为低电平。
这个过程在瞬间导致如下正反馈过程：
V|_Voi"
Vr使Gi导通输出为0,G2截止输出为1的过程在正反馈的帮助下能瞬间完成。
这个状态是不
稳定的，因为Vc为0不能保持，将使Vr发生变化。
称为暂稳态，（Voi,Vo2）=（0,1）,Vc=0,Vr=0.（3）电容充电，电路由暂稳态自动返回稳态
Vdd经过电阻（和导通的GJ对电容充电，随着时间的增加，Vc增加，使Vr升高，当达到阈值电压Vth时（Vc=Vth），或非门G2状态将变化，电路发生下述正反馈过程（Vi为低电平）：
电容充电一W—5rg
于是Gi门迅速截止，G2门很快导通，使电路由暂稳态返回稳态，（Voi,Vo2）=（1,0），Vi=0，
Vr>
1（Vr=Vc+Vol）.暂稳态结束后，电容通过电阻和G2门放电，使Vc=0.
微分型单稳态触发器电路暂稳态的发生，Vi接入触发电平引起，当外因不存在时，因为
电路所接的常量而返回稳态。
状态翻转的图示见下：
图4-8微分型单稳态触发器各点工作波形
或非门微分型单稳态触发器的主要参数的计算
三•输出脉冲VO2宽度tw（暂稳态的维持时间）
输出脉冲宽度tw，暂稳态的维持时间，可根据Vr的波形进行计算。
为计算方便，将
Vr的波形，从触发脉冲作用的起始时刻t1作为时间起点，于是有：
VR（tJ二Vr（0）=0,Vr（：
）二Vdd,.二RC.
根据RC电路瞬态过程的分析，可得:
VR（t）二Vr（：
）[Vr（0）_VR（：
）]ei
当t=tw时，Vr（tw）=Vm，代入上式可得:
VR（tw）=Vth=Vdd（仁e1"
RC）
当Vth=Vdd2，则
tw：
r0.7RCo
（2）恢复时间tre（从暂稳态到稳态的过渡时间一放电时间）
暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，以便电容C在暂稳态期间所充的电荷释放完，
使电路恢复到初始状态。
一般要经过3d（.d为放电时间常数）的时间，放电才基本结束，
故tre：
"
3.d。
（3）最高工作频率fmax
设触发信号Vi的时间间隔为T,为了使单稳电路能够正常工作，应有T.twtre，则最小时间
间隔Tmin=twtre。
因此，单稳态触发起的最高工作频率：
积分型单稳态触发器。
以反相器一与非门微分型单稳态触发器电路为例，RC积分电路作为与非门的一个输入
端，连接非门的输出端，结构见图：
四•稳态：
Vi=0，则V。
=Voh,Va二Ve=V°
HLVc.输入信号Vi同时控制反相器和与非门。
（2）Vi外加高电平触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态
Vi输入正脉冲，Vo1跳变为低电平，电容器开始通过电阻与反相器放电，在Va>
Vm时，
G2输出变成低电平，电路进入暂稳态：
二Vol,VaLVcVth,Vo^Vol.
⑶电容放电，电路由暂稳态自动返回稳态
电容器继续放电，使Va兰Vth,则与非门G2输出变成高电平，在反相器导通（为0）时，放电过程继续到存储电荷消失；
若期间输入信号Vi重新变成低电平，则Vol跳变为高电平
通过电阻向电容充电，使Va相对缓慢升高，恢复为高电平，电路达到稳态。
信号波形图见下：
抗干扰能力强过微分型，所以是不可重新触发工作参数见下：
输出脉宽：
从电容放电到Va下降为琳的时间。
2脉冲产生电路
矩形波中有丰富的高次谐波分量，所以把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。
多谐振荡器是
一种自激振荡电路，在接通电源后无需外接触发信号就能产生所需频率和幅度的矩形脉冲波或方波，这与脉冲整形电路以正弦信号等为输入信号不同，具有主动性。
由于多谐振荡器在
工作过程中不存在稳定状态，又称为无稳态电路。
常用的脉冲产生电路有多谐振荡器和晶体振荡器。
五•多谐振荡器
多谐振荡器有多种电路形式，包括门电路型，施密特触发器型，以及环形振荡器等，共
同的模块功能：
①产生高电平，低电平这两个状态的器件，一般为门电路，电压比较器等组
合逻辑器件，这里可称为开关器件，可得到不连续的矩形脉冲波；
②反馈网络：
将输出反馈
给开关器件，作为输入触发信号，改变输出状态，实现电路的自动状态切换，得到连续变化
的脉冲波（在数字电路中，连续的保持的功能，基本使用反馈环路的方式实现）：
③选频部
件：
控制时钟波形的频率，可使用延时器件。
利用RC电路的充放电特性，实现高低电平的
延时，以获得所需的时钟频率。
一般在实用电路中，反馈网络包括延时功能，可使用RC电
路作为反馈电路。
反馈可有正反馈和负反馈两种方式。
两个源头的影响•赋值，间接影响•
如何表示多信号源的公式•叠加定理的数字化
将开关与电阻的公式变成一个•
六•门电路组成的多谐振荡器
中间级对反馈电路充电，影响到输入级，所以输入，中间级与反馈回路有链接
一种CMOS门电路组成的非对称多谐振荡器的逻辑门电路图和CMOS级电路图见下:
VDD
（b）管级电路
图4-8非对称多谐振荡器结构
工作过程分析:
七.第一暂稳态Ti电路的自动翻转的过程
假定在t=0时接通电源，电容尚未充电，电路初始状态VO1=V°
h,V°
2二VOL，可规定
为第一暂稳态。
此时，电容作为延时部件被充电，充电回路：
Vdd—；
TP1―；
R—；
C―；
Tn2—；
VGnd。
随着充电时间的增加，V=Va的值不断上升，当ViL=Vth时，电路发生正反馈过程：
VI—Vo^■VO2
tI
这个正反馈过程瞬间完成，电容作为反馈环节。
使Gi导通，G2截止，
Voi二V°
l，Vo2二Voh，ViVoh，称为第二暂稳态。
（2）第二暂稳态T2电路的自动翻转过程
电路进入第二暂稳态后，Vo2的值从低电平上跳到高电平，由于电容电压的保持作用，
Vi=Va也上跳，本应为VthVdd，但由于保护二极管的钳位作用，仅上跳到VdVdd。
随后
电容作为延时环节开始放电，放电回路：
Vdd>
Tp2>
C>
R>
Tni>
Vgnd，这个过程中，
Vi二Va下降，当ViL二％h时，反相器输出翻转，电路产生如下正反馈过程：
VI•、VO1rVO27
个I
电容作为反馈部件，使Gi迅速截至，G2迅速导通。
电路回到第一暂稳态。
此后，振荡器重复上诉过程，从第一暂稳态到第二暂稳态循环变化，在振荡器的输出端VO2得到连续的方波。
不难看出，多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过不同的回路中电容充放电作用实现的，电容的充放电作用直接影响到图中Vi二Va的变化上，因此波形的分析Vi是重点，
见下图：
Vdd
FTi*T2一
ti第一暂稳态t2
第二暂稳态
图4-9多谐振荡器信号波形
电路参数的计算：
多谐振荡器的时间参数主要是两个暂稳态的时间t,t2。
（1）£
的计算
对应于第一暂稳态，把t1作为时间的起点，T1二trt，
乂（0）=J：
V_、OV,V1（：
）=Vdd，•二RC。
根据RC电路瞬态响应的分析，有
Ti=RC\ddV：
Vth
⑵T2的计算
对应于第二暂稳态，把
t2作为时间的起点，则:
Vi（0）=Vdd•.V」Vdd,Vi（：
）=0/=RC
由此可以求出
T2=RCIn^D
所以
v2
T=TT^RCIn[DD]
（Vdd—Vth）Vth
将％h二Vdd；
2代入，可得：
T=RCIn4：
I.4RC
且RLRon（p）'
Ron（n）,Ron（p）,Ron（n）分别为CMOS门中NMOS,PMOS管的导通电阻,C远大于电路分布电容。
当电源电压波动，使振荡频率不稳定，在Vth=Vdd.2时，影响尤为严重。
所以在振荡
器门电路图中，增加一个补偿电阻Rs，接在电容与反相器Gi的反馈线路中，减少电源电压
变化对振荡频率的影响，当
2环形振荡器
Vth二Vdd.2时，取RLR（e.gR=I0R）。
环形振荡器利用闭合回路的延时负反馈作用，也能产生自激振荡，只要负反馈信号足够
强。
最简环形振荡器，由三个反相器首尾相连组成，见下图：
图4-10环形振荡器最简组成
电路功能分析：
在静态（没有振荡）时，每个反相器的输入输出都不能稳定在高电平或低电平，因此只能处于高低电平之间的放大状态，所以电路没有数字稳态。
当输入Vii因为某个原因产生
个微小的正跳变，经过Gi的itpd传输延时，得到Vi2—个幅度更大的负跳变，同样经过的itpd
的延时，Vi3产生一个幅度更大的正跳变，再经过的itpd的延时，Vo的负跳变更大•从Vii的一
个正跳变到Vo的负跳变，经过3tpd的延时，反馈到Vii端；
再经过3tpd的延时后，输出Vo的
图4-11工作波形图
鉴于上诉原理可知，由三的倍数个反相器首尾相连构成的环形振荡器的振荡周期为:
T=2门如
其中n为反相器的个数。
因为门电路的延时短，环形振荡器一般附加延时环节，见下图：
v,i上严＞2。
GlG2一G3
其中，VI3作为电容电压，被G2的输出电压决定数值，因为积分电路的延时作用使VI3从离散型信号，变成连续的模拟信号，增加了G2的传输延时tpd2，通过改变.二RC，能够得到所
Gi的输出端，如下
需的频率。
为进一步增加传输延时，实用环形振荡器将电容从接地改接图所示：
图1-13实用环形振荡器
实用环形振荡器的工作过程：
当V|2发生一个负跳变，经过电容的首先使V|3跳变到一个负电平，然后从这个负电平
开始，由G2的输出高电平对电容充电，增加了V|3从0上升到Vth的时间。
为防止V|3发生
负跳变时，流过G3反相器的输入钳位二极管的电流？
过大，使用保护电阻Rs。
负反馈电路中，反馈网络中没有电阻或电容，为使反馈的电压足够大，并且不衰减。
G2的反馈电容增加了延时。
八•石英晶体振荡器
多谐振荡器周期T,是R,C,VTh的函数，其中Vth容易受到温度，电源电压及干扰的影响，因此稳定性较差，一般要求稳定性高的数字电路使用石英晶振。
石英晶振在不同的频率段，具有电容或电感特性，其电路符号和阻抗特性见下图：
图4-10石英晶振的电路符号和阻抗频率特性
从图中可知，石英晶振有一个极为稳定的串联谐振频率fs,当通过晶振的外加电压信号频
率为fs时，晶振的阻抗最小，近似为0,而其它频率的信号经过晶振时，遇到阻抗被衰减。
因此可作为天然的选频部件，用在多谐振荡器反馈网络中，阻止其它频率的信号被正反馈，石英晶体振荡器电路见下图：
图4-11石英晶体振荡器
电路结构分析：
首先，将晶体振荡器代替电容器作为选频部件放置在反馈电路，是决定电路振荡频率的
唯一条件，电路中的电容没有延时作用，因此不影响电路频率选定。
电容Ci用于放大状态
的两个反向器的耦合，要求G的容抗值对频率为fs的信号近似为0；
在输出与G2的反馈回路中，电容器C2用于高频滤波，使高频信号不能反馈到g2的输入端，保证稳定的频率输出。
为使并联网络RC2在信号频率fs产生极点，电容C2的取值应使2RC2fs：
、1。
两个电阻的作用不仅作为反馈回路的一部分，而且主要使两个反相器处在放大状态，使正反馈的作用能十
分明显，这也说明振荡器没有稳态，只有受到输出影响的不同暂稳态的组合。
从逻辑门的电
压传输特性可知，线性放大区的取值在饱和区与截止区之间，使用电阻分流饱和电流，R阻
值在0.7~2K门（TTL）或10~100M门（CMOS）之间。
对电路输出负载能力的增强，可在输出端增加一级反向器，并可改善输出波形。
振荡器模型：
电路的组成功能的分析。
要注意的是，并不是按照电路图设置参数并连接好，就一定能得到所需要的时
升级会员 