單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn):
1. 電路中有一個(gè)穩(wěn)態(tài)，一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。
2. 在外來(lái)觸發(fā)信號(hào)作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。
3. 暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長(zhǎng)久保持的狀態(tài)，由于電路中rc 延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電路會(huì)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于rc 電路的參數(shù)值。
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的這些特點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于脈沖波形的變換與延時(shí)中 。
1、電路組成及工作原理
微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可由與非門(mén)和或非門(mén)電路組成，圖1(a)、(b)分別為由與非門(mén)和或非門(mén)構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。與基本rc 觸發(fā)器不同，構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)邏輯門(mén)是由rc 耦合的，由于rc 電路為微分電路的形式，故稱(chēng)為微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。
下面以cmos或非門(mén)構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為例，來(lái)說(shuō)明它的工作原理。
(a) 由與非門(mén)構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 (b) 由或非門(mén)構(gòu)成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
圖1 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
1. 沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，電路處于一種穩(wěn)態(tài)。
沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，vⅰ為低電平。由于門(mén)g2的輸入端經(jīng)電阻r 接vdd，因此vo2為低電平；g1的兩個(gè)輸入均為0，故輸出vo1為高電平，電容兩端的電壓接近0v，這是電路的“穩(wěn)態(tài)”。在觸發(fā)信號(hào)到來(lái)之前電路一直處于這個(gè)狀態(tài)： vo1=voh，vo2=vol。
2. 外加觸發(fā)信號(hào)，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。
當(dāng)v1正跳變上升到vth后，開(kāi)始g1的輸出vo1由高變低，經(jīng)電容c 耦合，使vr為低電平，于是g2的輸出vo2由低電平變?yōu)楦唠娖健o2的高電平接至g1門(mén)的輸入端，從而在此瞬間導(dǎo)致如下正反饋過(guò)程：
這樣g1導(dǎo)通，g2截止在瞬間完成。此時(shí)，即使觸發(fā)信號(hào)vⅰ撤除(vⅰ變?yōu)榈碗娖?，由于vo2的作用，vo1仍維持低電平。然而，電路的這種狀態(tài)是不能長(zhǎng)久保持的，故稱(chēng)之為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，vo1=vol，vo2=voh。
3. 電容充電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動(dòng)返回至穩(wěn)態(tài)。
在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源經(jīng)電阻r和門(mén)g1的導(dǎo)通工作管對(duì)電容c充電，隨著充電時(shí)間的增加，vc增加，使vr升高，當(dāng)vr達(dá)到閾值電壓vth時(shí)，電路發(fā)生下述正反饋過(guò)程（設(shè)此時(shí)觸發(fā)器脈沖已消失）：
于是g1門(mén)迅速截止，g2門(mén)很快導(dǎo)通，最后使電路由暫穩(wěn)態(tài)返回至穩(wěn)態(tài)，vo1=voh，vo2=vol。
暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容將通過(guò)電阻r放電，使c上的電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的初始值。在整個(gè)過(guò)程中，電路各點(diǎn)工作波形如圖2所示。
圖2 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器各點(diǎn)工作波形
2、主要參數(shù)的計(jì)算
1. 輸出脈沖寬度tw
輸出脈沖寬度tw，也就是暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間，可以根據(jù)vr的波形進(jìn)行計(jì)算，為了計(jì)算方便，對(duì)圖2的vr的波形，將觸發(fā)脈沖作用的起始時(shí)刻t1作為時(shí)間起點(diǎn)，τ＝rc , 于是有
根據(jù)rc電路瞬態(tài)過(guò)程的分析，可得到：
vr(t)=vr(∞)+[vr(0+)-vr(∞)]e-t/τ
當(dāng)t=tw時(shí)，vr(tw)=vth，代入上式可求得：
當(dāng)vth=vdd/2，則tw≈0.7rc
2. 恢復(fù)時(shí)間tre
暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，還需要一段恢復(fù)時(shí)間，以便使電容c 在暫穩(wěn)態(tài)期間所充的電荷釋放完，使電路恢復(fù)到初始狀態(tài)。一般要經(jīng)過(guò)3τd(τd為放電時(shí)間常數(shù))的時(shí)間，放電才基本結(jié)束，故tre約為3τd 。
3. 最高工作頻率fmax
設(shè)觸發(fā)信號(hào)v1的時(shí)間間隔為t，為了使單穩(wěn)態(tài)電路能正常工作，應(yīng)滿(mǎn)足t>tw+tre的條件，即最小時(shí)間間 隔tmin=tw+tre。因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的最高工作頻率為:
顯然，上述關(guān)系是在作了某些近似之后得到的（例如,忽略了導(dǎo)通管的漏源電阻等。），因而只能作為選擇參數(shù)的初步依據(jù)，準(zhǔn)確的參數(shù)還要通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整得到。
3、電路改進(jìn)
1. 如圖2所示，在暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束（t=t2）瞬間，門(mén)g2的輸入電壓vr達(dá)到vdd+vth，這么高的輸入電壓可能損壞cmos門(mén)。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在cmos器件內(nèi)部設(shè)有保護(hù)二極管d,如圖1b中的虛線所示。在電容c充電期間，二極管d開(kāi)路。而當(dāng)t=t2時(shí)，二極管d導(dǎo)通，于是vr被鉗制在vdd+0.6v的電位上，（見(jiàn)2中的虛線所示）同時(shí)，在恢復(fù)期間，電容c 放電的時(shí)間常數(shù)τd=（r‖rf)c(rf為二極管d的正向電阻)，由于rf<< r,因此電容放電的時(shí)間很短。
2. 當(dāng)輸入vⅰ的脈沖寬度tpi> tw時(shí)，則在vo2變?yōu)榈碗娖胶?，g1沒(méi)有響應(yīng)，不能形成前述的正反饋過(guò)程，使vo2 的輸出邊沿變緩。因此，當(dāng)輸入脈沖寬度tpi很寬時(shí)，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端加入rd、cd組成的微分電路。同時(shí)為了改善輸出波形，可在圖1中g(shù)2的輸出端再加一級(jí)反相器g3，如圖3所示。
圖3 寬脈沖觸發(fā)的單穩(wěn)電路
3. ttl與非門(mén)構(gòu)成如圖1(a)所示的單穩(wěn)態(tài)電路時(shí)，由于ttl門(mén)存在輸入電流，因此，為了保證單穩(wěn)態(tài)時(shí)g2的輸入為低電平，電阻r 要小于0.7kω。如果輸入端采用rd、cd 微分電路時(shí)，rd的數(shù)值應(yīng)大于2kω，使得穩(wěn)態(tài)時(shí)vd大于門(mén)g1的開(kāi)門(mén)電平（von），而cmos門(mén)由于不存在輸入電流，故不受此限制。