CMOS施密特触发器的设计与仿真

1、1 2V RjR21 4V RjR20 (2) CMOS施密特触发器的设计与仿真施密特触发器的设计与仿真 施密特触发器的设计与仿真施密特触发器的设计与仿真 3.用门电路组成的施密特触发器用门电路组成的施密特触发器 3.1 简介门电路组成的施密特触发器简介门电路组成的施密特触发器 图6用CMOS反相器构成的施密特触发器电路图 2、工作原理、工作原理 假定：VTHVDD,R1R2,X 为三角波 V=-v 11RiR21 当= ，u0=0V 耳上升只要vTH电路，维持 u0=UOH不变 (4) 当耳下降，vii也下降，只要片vTH，则保持 u0=UOH 当Vii=vTH，电路产生如下正反馈：则 u0

2、=UOL 巧J巧卫步丄Wit.5I Vv 尺2 V生 V (5) 11 TH R1R 2RiR DD 2 V T (1 丛)V (6) AV: =V V u2iv 冬V (7) T T T &TH 心DD 则其工作波形有如下图7： 其中如果只R2,则可得 vT0 时，由于SiO2的存在，栅极电流为零，但是金属层经聚集正电荷，它们将排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层，当 uGS增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道， 是沟道刚刚形成的栅源电压称为

3、开启电压 UGs（th），uGS愈大，反型层愈厚，导电沟道电阻愈小。 当 uGS是大于 uGS（th）的一个确定值时，若在d一s之间加正向电压时，则将产生一定的漏极电流，此时，uDS的变化对导电沟道的影响与结型场效应管相似， 即当 UDS较小时， UDS的增大使线性增大， 沟道沿源一漏方向逐渐变窄，如图10（a）所示，一旦 uDS增大到使 uDS=UGS（th）时，沟道在漏极一侧出现夹断5 点，称为预夹断，如图io（b）所示，如果 uDS继续增大，夹断区随之延长，如图10（c）所示， 而且 uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。从外部看，4D几乎不因 uDS的增大而变化，管子

4、进入恒流区，几乎仅决定于 uGS。 在 uDSuGS-UGs（th）时，对应于每一个 uGS就有一个确定的你，此时, 可将视为电压 uGS控制的电流源。 图10UGS为大于 UGs（th）的某一值时 UDS对影响 特性曲线与电流方程 图11所示分别为N沟道增强型MOS管的转移特性曲线和输出特性曲线,他们之间的关系见图中标注，与结型场效应管一样，MOS管也有三个工作区域：可变电阻区，恒流区及夹断区，如图中所标注。 图11N沟道增强型MOS管的特性曲线(a) (b) (c) P 6 42 用用 Pspice 仿真的仿真的 CMOS 施密特触发器施密特触发器 Pspice的软件介绍： 用于模拟电路仿

5、真的SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)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。SPICE的正式版SPICE2G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

6、的电子电路仿真软件。 (1) 图形界面友好，易学易用，操作简单 由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式，使电路设计更加直观形象。PSPICE6.0以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。即使没有参考书， 用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。 (2) 实用性强，仿真效果好 在PSPICE中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。如果用Protel等软件进

7、行参数修改仿真，则过程十分繁琐。在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接，设置其他参数更为复杂。 (3) 功能强大，集成度高 在PSPICE内集成了许多仿真功能， 如： 直流分析、 交流分析、 噪声分析、温度分析等，用户只需在所要观察的节点放置电压(电流)探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压(或电流)-时间图”。而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。 7 另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口、修改坐标、叠加图形等，还具有保

8、存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。因此，Windows版本的PSPICE更优于Dos版本的PSPICE，它不但可以输入原理图方式，而且也可以输入文本方式。无疑是广大电子电路设计师的好帮手4。 4.2.1 电路理论分析电路理论分析 电路如图所示，主要是由M1M6组成的施密特触发器。如果没有M3和M6的存在，那么Ml、M2、M4、和M5仅仅是一个反相器，无论输入信号 S从高电平降低时还是从低电平升高时转换电平均在 Uj=VDD附近。 但是接入M3和M6以后的情况就不相同了。 设P沟道MOS管的开启电压为 Vtp，N沟道MOS管的开启电压为 Vtn。当=0

9、 时Ml、M2导通而M4、M5截止，这是显而易见的。此刻，U0为高电平（U0UVDD），它使M3截止、M6导通并工作在源极输出状态。因此，M5源极的电位US5较高，US5VDD-Vtn。 在 Uj逐渐升高的过程中，当 5喑以后，M4导通。但由于US5很高，即使当U11VDD，M5仍然不会导通。 当继续升高， 直到M1、M2的栅源电压UGS1、UGS2减小到M1、M2趋于截止是，M1、M2的内阻开始急剧增大， 其Pspice中电路图如下 TiXI U匸 EE3T IRF1M 西3 IRF3- 图12COMS集成施密特触发器 (8) 8 ，0=2兀匕-匕-（匕_匕） (9) 从而使 U0和 uS5

10、开始下降，最终达至 Ou1-uS5Vtn,于是M5开始导通并引起 如下正反馈过程 U0fUS5fUGS5fRon5（M5的导通内阻） 从而使M5迅速导通并进入低压降的电阻区。与此同时，随着 u0的下降M3导通，并使Ml、M2截止，u0下降为低电平。 因此，在 VDDVtn+Vtp的条件下，u1上升过程的转换电平 VT+要比1VDD搞得多。而且，VDD越高 VT+也随之升高。 同理，在 VDDVtn+Vtp的条件下，u1下降过程中的转换电平 VT-要比 !VDD低的多，其转换过程与UJ上升时的情况类似。 当电压 u0非常小时，M6将会是截止，Ml、M2处导通状态，则电流 I。的方程是 /。=2也

11、馅七）匕 这是只对管M4得出的。再对管M5有方程 图l3COMS集成施密特触发器 下面具体分析： 9 其中兀=0.5（叫 cj（W/J,vtn为N沟道MOS管的开启电压。由（8） 和（9）式可以化简： 从式（8）和（10） V=V%5 n0W5 ，=2叫叫（叫-）y00 兀4兀5 当 V。上升时M5趋近于饱和，贝叫是定值，其值取决于MOS管则有：I。= ，0=2兀（叫一Z）（%一匕） 10) 11) 12) 2%4(vi -V)V tn，n (13) ；0=%5 从（13）和（14）可以得到 1-Vn-Vtn厂厂 14) Vn=(V0-VJ 15) 当 V0=V1-Vtn时候，则电流变为 /=

12、叫叫 0兀4兀5 V(叫-)2 16) vo=vi- 17) 则这时候M6将会导通，Vn的值也上升，则电流 1会减小。当 V。的值变为= VCv-V）14 11tn%6 此时MOS管M5会截止， 而且 1的值会变成0.此时， 电压 vn的值将变成 V1-Vtn而且M4趋近于饱和。则MOS管M4的电流为 18) 19) 故由上面所示的式子（19）得出：%=（）2则可以得出 yyd -讥 N%6 20) 同理： 10 21) 从图中的CMOS模型可知nMOS管全部是一个型号，pMOS管也是全部一个型号。其Pspice模型为： .modelIP.F514CPNC5(LevelsGajnitaOEel

13、td=0吐日=1ThetaOKippa=0VrcaiO +Tcs=100nUo=3O：Fhi=.fR沪10血Kq=10.15uW=1.9L=2a肮肮d趴趴 +R曲別話師RdS=44i.4KCM=2.21nFb=.3M=.5Fc=.5Cgso=S77.2p +Cgdo=3.3 Rg=.E12I5=52.23E2uVtD=2.e31Rd=l.C3：iiLCM=3.223nFb=.EMj=.5Fc=.5so=3.327n F.=13.B9Is=124E-lSN=1Zt=2BBn Insl趾ut迁正工pid=IRFC153ca3e=TO3 EB-DS-25baitcreation 图15COMS集成施

14、密特触发器中nMOS管的Pspice模型从上面的模型和上面的电路图可以知道,vDD=iov，%4=%6，vtn= 2.831V，%=%，V=3.67V。 i3tp 则从上式(20)、 (21)可以得出VT和VT的理论值为： VT=6.4155V，V=3.i65V。TTT T 4.2.2 电路仿真输出电路仿真输出 电路输出静态仿真电路输出静态仿真 1、当将输入电压V1的值设为0V的时候，即输入为低电平。 图16当图13电路图加低电压（0V）时输出波形 11 电路输出静态扫描仿真电路输出静态扫描仿真 由Pspice对输入电压线性上升的静态扫描仿真波形为： 丽免殛肖I.JSI.-W4Jb 图形中和1

15、0V刻度线重合的是输出电压。等于加的 VDD，和理论值符合。 2、当将输入电压V1的值设为10V的时候，即输入为高电平。 图形中和1.8uV刻度线重合的是输出电压，即为低电平。 gtiam Gan.0tg A_n-a3_y=l=type: AiL*3_y=i= p .i_am canEIKK-ITSvreapDGt-口CWE-ZLC?/WOS-a-t*x-*m -tx-iu&* m口=*L*ui.LWr Fidb*W n_d.dvw Bt.1m-ulus D*.t.A.C.a1-*at.iarw 图18对图13电路图仿真的参数设定可以看到输入电压是从0V线性上升到10V。 上图蓝色线为

16、输入电压的波形，其输入初始为0V,结束为10V，红色的线为输出电压 V。的波形。由上图可看出 VT+的值大约等于6.40V,而理论值为6.4155V,和计算结果很接近。 由Pspice对输入电压线性下降的静态仿真波形为： 12 图20对图13电路图仿真的参数设定 可以看到输入电压是从10V线性下降到0V。 上图蓝色线为输入电压的波形，其输入初始为10V，结束为0V,红色的线为输出电压 V。的波形。 由上图可看出 VT_的值大约等于3.05V,和计算结果3.165V也非常的接近。和理论值出现偏差可能是理论计算的时忽略了体效应和沟道长度调制效应。 输出的是肉眼看的，是一个估计值，其输出的误差为：

17、(6.4155_6-40)/6.4155=0.24%同理 VT_误差为3.63%。 现将输入电压换成直流偏置为5V,幅值也为5V的正弦波输入的时候则： 图22改换电压后的的参数设定 从图中可以看见输出是瞬时，终止时间是100us，设100us是让能多看几个周输出周期。13 图25将电路中的元件改为breakout.olb库中的 设置参数如下：【Icyh- source CYB V_V3 M_M： M_M6 NO2OSO0lOVdc N02055rrazoisooIRFISC VOLTO2O18N02O53NO2O53IB.F150 NO2a8OVOM02O53ETQ2a53IB.F15O M_

18、M1 M_M2 V_V2+5IE1Sv 5v EJO205NQ2O18NO2080tTO2O8CiIRFB140 VOHO2OSSEJ02OS3J：RF51O OVONO2O53tT0s2O59IR_F9140 11020180 2OkHZO 图24为电路图的输入网表 温度分析温度分析 温度分析是一种通用的参数扫描的功能，可以与任何一种分析类型，对 于温度变化对电路性能的影响非常方便。为了设置元件的温度系数，Pspice提供了一个专门的元件库breakout.olb库中元件的名称为其关键字后加break. 波形还是一如既往的好，如上直流时候的 VT+、V 都非常的吻合。而且电路波形和理论波形非

19、常吻合。和开始输入线性电压时候一样。只是由于极间电容的存在，所以出现了延时，但是延时很小，在接受范围内。其上图中的网表为： 则修改后的电路图如下： 14 从下图中可以看出设置的温度有-10、20、50、100、150度。设置的温度范围很广，考虑使用的地域。 图26对温度参数的设置 图中显示出输入电压随温度的变化，说明温度对输入电压是有一定的影响的。输出电压 v0在上述温度参数下的波形： 从波形中可以看出，在温度变化较大的情况下，电路的输出结果相差不 大,所以电路对温度的适应还是很好的。但是和前面在25。的时候还是有一点出入。 分析其中的原因首先有电压先受温度的影响,导致输入电压失真,再次 15

20、 当温度变化的时候MOS管的特性会发生变化，MOS管的热噪声，和MOS管晶体管的欧姆区也有热噪声，因为栅、源、漏材料都有一定的电阻，因而产生噪声。电路图中有6个MOS管，于是当温度不同的时候输出波形有一定的出入。傅立叶分析傅立叶分析参数设定为： 图29傅立叶分析的参数设定 输出电压的波形为: DVlWl 图30傅立叶输出的波形 FOURIERCOMPONENTSOFTRSNSIENIRESPONSE7(VO) DCCOMFCNENI=9.939994 -1-00 HARMONIC NO FREQUENCY (HZJ FOURIER COMPONENT NORKJkLIZED COMPONENT

21、 PHASE(DEG) NORE2kLIZED PHASEDEG) 1 lu000E+05 1.876E-06 lOOOEOO -1.65E02 0.000E+00 2 2.Q00E+05 9.315E-07 4.966E-01 -1B3E-F1708E+02 3 3.000E+05 5435E-07 2.897E-01 -1.612E+02 3.413E-F02 4 4.000E-F05 3 701E-07 1.973E-D1 -1.585E+02 5116E+02 5 5.000E+05 2.795E-07 l,490E-01 -1.617E-F02 6.759E+02 6.000E+05

22、 2.246E-07 1197E-O1 -l!.fi9E02 S.402E+02 7 7.000E+0S 2.012E-07 1.073E-01 -1石百石巴十02 1.007E+-03 Q 8.0QQE+05 1.862E-Q7 9.928E-Q2 -1.654E+02 1.175E+03 TOTAL EiSREDNICDISTORTION= 6.S37724E+O1 FERCEKT 图31傅立叶输出的输出网表 从图29可以看出参数，图30则是傅立叶输出的波形。图31则是傅立叶输出的网表。 从图31中可以得出直流分量是9.999994V以外， 还给出了基波和2至8次谐波的幅度、相位值以及归一

23、化的幅值、相位值。最下面一行还给出了总的谐波失真系数 D=65.37724%。 v(VU) |TimeDomA-inCTrartsi| Man-LnCMx-Xo_/WnrxtCMSILaram。 I|T*ar*.*tu3*w* |Ss.-v Ei口口FvxXS.-L IILoadElia=Poiikt Itunt_Q Xxtdud.&Pi. FX-ctB3-Xl-d-DW |lOOi3ia= =ACond= =tconds 3v*Xzidiidet.iiled.fci*_=p : intirtEormat.ionri.d-E Ciicel tr1ntVAZL-I-IEIrk tQout

24、piAt S1OOCPDC 16 4.2.3 仿真结果讨论仿真结果讨论 从上面所示输出图形中的波形，其中不管是电压值还是波形都和理论值非常地相吻合，符合预期的结果。虽然有一点小的出入，但都是在允许的范围内。还有由于能力有限，误差的出现有可能是我在计算过程中没有考虑周全。整体来说， 所设计的施密特触发器具有比较好的电压传输特性， 能够用于大多数电路中。17 附录附录 *INCLUDINGcyh-SCHEMATIC* *sourceCYH _(V0=V0) _(V1=V1) .ENDALIASES * IRF150 IRF9140 NMOS PMOS LEVEL 3 3 L 2.000000E-06 2.000000E-06 W .3 1.9 VTO 2.831 -3.67 KP 20.530000E-06 10.150000E-06 GAMM 0 0 PHI .6 .6 V_V3 N02080010Vdc M_M4 N02053V100IRF150 M_M5 V0V1N02053N02053IRF150 M_M6 N02080V0N02053N0205