TTL、CMOS及施密特觸發(fā)器

周 江

（成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041）

TTL、CMOS及施密特觸發(fā)器

周 江

（成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041）

單穩(wěn)態(tài)電路是電子設(shè)計(jì)中的一個(gè)常用電路。文章以一個(gè)簡單的單穩(wěn)態(tài)電路為例，將TTL、CMOS和施密特觸發(fā)器在相同的電路中的不同的作用展示出來，能夠很直觀地理解和掌握TTL、CMOS和施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)和用途。四個(gè)電路均在Proteus中仿真和實(shí)際電路中驗(yàn)證，兩者結(jié)果一致。

TTL；CMOS；施密特觸發(fā)器

1 引言

在一般的教學(xué)過程中，老師會告訴學(xué)生，TTL（Transister -Transister-Logic）是晶體管-晶體管邏輯的英文縮寫，它采用雙極型工藝制造，具有高速度、低功耗等特點(diǎn)；CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）的意思是互補(bǔ)型的金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電路，它具有低功耗、寬工作電壓范圍、高輸入阻抗等特點(diǎn)；施密特觸發(fā)器也有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持，對于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓（摘自百度百科）。

這些無疑都是完全正確的，但對高職的大部分學(xué)生來講，這些描述顯得比較空，并不能真正理解這幾類電路的特點(diǎn)和用途。

本文試圖從一個(gè)簡單的單穩(wěn)態(tài)電路入手，將TTL、CMOS和施密特觸發(fā)器在電路中的作用展示出來，通過演示它們在一個(gè)相同的電路中的不一樣的作用，讓學(xué)生真真切切地看到它們各自不同的本質(zhì)特點(diǎn)。

單穩(wěn)態(tài)電路是電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)常用電路，一般會使用專門的單穩(wěn)態(tài)芯片，比如74LS123等，或用555電路來實(shí)現(xiàn)。上升沿觸發(fā)、產(chǎn)生正脈沖的單穩(wěn)態(tài)電路的輸入、輸出波形如圖1所示（上面為輸入波形、下面為輸出波形。下同）。

圖1　單穩(wěn)態(tài)電路的輸入、輸出波形圖

這里為了演示TTL、CMOS及施密特電路的特點(diǎn)，用電容充放電電路加各類反相器的方式來實(shí)現(xiàn)。

圖2是一個(gè)RC充放電的電路圖，其輸入、輸出波形圖（Proteus仿真圖）見圖3。輸入為1Hz的方波。

圖2　RC充放電電路圖

圖3　RC充放電電路的輸入、輸出波形圖

顯然該電路的輸出波形與單穩(wěn)態(tài)電路的輸出波形不一樣，要得到圖1的波形，還需要對RC充放電電路的輸出進(jìn)行整形，可以使用TTL、CMOS及帶施密特觸發(fā)器的反相器來實(shí)現(xiàn)。

2 用TTL非施密特反相器整形

使用兩級TTL反相器74LS04整形，電路圖和輸入、輸出波形圖（實(shí)測波形，示波器型號：優(yōu)利德UTD2102CEX。下同。）分別如圖4、圖5和圖6所示。這里使用兩級反相器的目的，是為了保持輸入、輸出的相位一致，方便理解。

圖4　兩級TTL反相器74LS04整形電路圖

圖5　兩級TTL反相器74LS04整形后的輸入、輸出波形圖

圖6　展開后的圖5波形

從圖5、圖6中可以看出兩個(gè)問題：第一，輸出是負(fù)脈沖，不是正脈沖；第二，輸出的波形不是規(guī)則的矩形波，尤其是輸出波形的上升沿，甚至對輸入波形也產(chǎn)生了影響。

先分析第一個(gè)問題。TTL反相器74LS04的內(nèi)部電路如圖7所示。

圖7　TTL反相器74LS04的內(nèi)部電路

將圖4、圖7合在一起看，可以知道，由于U1:A 1腳的下拉電阻R1是100K，所以該引腳上的電壓為（5V - Q1的VCE）*100K/（100K+4K），基本上就是+5V，所以當(dāng)電容端的輸入為高電平時(shí)，電容幾乎沒有充放電的情況（電容兩端電壓基本相等），U1:B的 4腳輸出為高電平。而當(dāng)電容端的輸入為低電平時(shí)，U1:A的1腳對電容充電（從右向左），由于電容上電壓不能突變，在電容端的輸入剛為低電平時(shí)，U1:A的 1腳也是低電平，之后隨著電容上電壓的增加，該引腳的電壓逐漸達(dá)到接近+5V，所以在U1:B的4腳輸出的就是負(fù)脈沖了。

而第二個(gè)問題的原因，從上面的分析可以知道，在輸入的下降沿到來時(shí)，U1:A的1腳是從0V逐漸上升到接近+5V的，反相器的輸入電壓出現(xiàn)了它判斷高、低門限之間的電壓（一般輸入高電平>=2.0V，輸入低電平<=0.8V），其內(nèi)部的三極管沒有工作在截止或飽和導(dǎo)通區(qū)，而是工作在放大區(qū)，所以出現(xiàn)了既非高電平、也非低電平的電壓，使輸出波形失真。

出現(xiàn)這種情況，就應(yīng)該考慮使用有波形整形功能的施密特觸發(fā)器了。

3 用帶施密特觸發(fā)器的TTL反相器整形

使用兩級TTL反相器74LS14（帶施密特觸發(fā)器）整形，電路圖和輸入、輸出波形圖分別如圖8、圖9所示。

圖8　兩級帶施密特觸發(fā)器的TTL反相器74LS14整形電路圖

圖9　兩級帶施密特觸發(fā)器的TTL反相器74LS14整形后的輸入、輸出波形圖

從圖中可以看出，輸出波形是比較規(guī)則的矩形波，前面的第二個(gè)問題已經(jīng)解決，從這個(gè)例子中可以看出施密特觸發(fā)器的作用。而第一個(gè)問題依然存在，輸出的仍然是負(fù)脈沖，原因在前面已經(jīng)分析。

4 用CMOS非施密特反相器整形

使用兩級CMOS反相器74HC04（或4000系列的4069）整形，電路圖和輸入、輸出波形圖如圖11、圖12所示。

圖10　兩級CMOS反相器74HC04整形電路圖

圖11　兩級CMOS反相器74HC04整形的輸入、輸出波形圖

圖12　展開后的圖11波形

圖11、圖12的波形與圖4、圖5相比，有兩處明顯的不同：一是輸出由負(fù)脈沖變成正脈沖了；二是脈沖的寬度明顯加大了。

圖10中的反相器使用的是CMOS器件，其輸入阻抗很高，一般能達(dá)到108?數(shù)量級，U1:A 1腳的下拉電阻R1仍然是100K，所以1腳的電位是低電平。當(dāng)電容端的輸入為高電平時(shí)，對電容充電（從左向右），由于電容上電壓不能突變，在上電的瞬間相當(dāng)于短路，所以電容端的輸入剛為高電平時(shí)，U1:A的1腳也是高電平，之后隨著電容上電壓的增加，該引腳的電壓逐漸下降，最終達(dá)到0V，這樣在U1:B的4腳輸出的就是正脈沖了。

至于脈沖寬度的問題，圖 4中的電路，充電電阻基本上就是4K（Rb1，參考圖7），而在圖10的電路中，充電電阻是100K（R1），所以充電時(shí)間更長，脈沖寬度也就更寬了。

圖10與圖4的電路一樣，輸出的波形也不是規(guī)則的矩形波，其原因與前面的分析類似。

5 用帶施密特觸發(fā)器的 CMOS反相器整形

使用兩級CMOS反相器74HC14（帶施密特觸發(fā)器）整形，電路圖和輸入、輸出波形如圖13、圖14所示。

圖13　兩級帶施密特觸發(fā)器的CMOS反相器74HC14整形的電路圖

圖14　兩級帶施密特觸發(fā)器的CMOS反相器74HC14整形的輸入、輸出波形圖

從圖14可以看出，輸出的波形已經(jīng)與圖1一致了。

6 結(jié)論

從前面的四個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，完全相同的電路，由于使用的器件類型不同，卻得到了不同的結(jié)果。

對于脈沖電路的整形，使用帶施密特觸發(fā)器的門電路效果要比普通的門電路好得多。用帶施密特觸發(fā)器的TTL門電路整形，由于其輸入懸空時(shí)是高電平，所以電路會在輸入的下降沿觸發(fā)，產(chǎn)生負(fù)脈沖；TTL的輸入阻抗較低，所以在相同的電路參數(shù)下，其輸出的脈沖寬度相對較窄。而使用帶施密特觸發(fā)器的COMS門電路整形，由于其輸入阻抗較高，沒有信號輸入時(shí)，其輸入引腳的電平由其外接的下拉電阻決定，是低電平，所以電路會在輸入的上升沿觸發(fā)，產(chǎn)生正脈沖，且其輸出的脈沖寬度相對較寬。

用理論教學(xué)的方式講 TTL、COMS、施密特觸發(fā)器，學(xué)生可能就只學(xué)到了一些概念性的東西，而用本文所述的例子教學(xué)生，學(xué)生能看到實(shí)際的不同點(diǎn)，對TTL較低的輸入阻抗、COMS的高輸入阻抗和施密特觸發(fā)器對波形的整形等應(yīng)該有更深刻的理解和掌握。

[1] Texas Instruments Incorporated.Hex Inverters[EB/OL]. (2004-01-01)[2016-08-15].http://www.ti.com/lit/ds/symlink /sn74ls04.pdf.

[2] Texas Instruments Incorporated.HEX SCHMITT-TRIGGER INVERTERS[EB/OL].(2002-02-01)[2016-08-15].http://ww w.ti.com/lit/ds/symlink/sn74ls14.pdf.

[3] Texas Instruments Incorporated.SNx4HC04 Hex Inverters[EB/OL]. (2015-09-01)[2016-08-15].http://www.ti.com/lit/ds/symlink /sn74hc04.pdf.

[4] Texas Instruments Incorporated.SNx4HC14 Hex Schmitt-Trigger Inverters[EB/OL].(2016-02-01)[2016-08-15].http://www.ti. com/lit/ds/symlink/sn74hc14.pdf.

TTL、CMOS and Schmitt trigger

The monostable circuit is a common circuit in the electronic design. In this paper, using a simple monostable circuit, display the TTL, CMOS and Schmitt trigger different functions in a same circuit, this can be very intuitive to understand and grasp the characteristics and uses of TTL, CMOS and Schmitt trigger. Four circuits are simulated in Proteus and the actual circuit is verified. The results are consistent.

TTL; CMOS; Schmitt trigger

TN710

A

1008-1151(2016)09-0040-03

2016-08-10

周江（1966－），男，四川成都人，成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件分院副教授/工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮与娐吩O(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用。