基于CMOS反相器的脈沖窗口比較器

崔建國，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

0 引言

窗口比較器，又稱為雙限比較器，具有兩個門限電平，可以檢測輸入模擬信號的電平是否處在給定的兩個門限電平之間。在元件選擇與分類，或?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場進行監(jiān)視與控制時，窗口比較器是很有用的。

這兩個門限電平有時也稱為兩個閾值電壓，是指輸入電壓從大變小或從小變大過程中使輸出電壓產(chǎn)生兩次躍變。例如，某窗口比較器的兩個閾值電壓UT1小于UT2，且均大于零，輸入電壓從零開始增大，當(dāng)經(jīng)過UT1時，輸出電壓從高電平UOH躍變?yōu)榈碗娖経OL；輸入電壓繼續(xù)增大，當(dāng)經(jīng)過UT2時，輸出電壓又從低電平UOL躍變?yōu)楦唠娖経OH，其電壓傳輸特性猶如中間開了個窗口，故此得名。窗口比較器輸入電壓向單一方向變化過程中，輸出電壓躍變兩次[1]。

設(shè)計一種新穎的脈沖窗口比較器，其比傳統(tǒng)的窗口比較器電路結(jié)構(gòu)更簡潔，可以同時輸出幅值相等、極性相反的兩組脈沖窗口信號。

1 傳統(tǒng)窗口比較器

傳統(tǒng)窗口比較器一般由兩個集成運放分別處于開環(huán)工作狀態(tài)，每個運放組成一個單限比較器，圖1(a)為一種比較典型的窗口比較器，外加參考電壓URH>URL，電阻R1、R2和穩(wěn)壓管DZ構(gòu)成限幅電路。

圖1 傳統(tǒng)窗口比較器及其電壓傳輸特性

當(dāng)輸入電壓ui大于URH時，必然大于URL，所以集成運放A1的輸出uo1=+UOM，A2的輸出uo2=-UOM，使得二極管D1導(dǎo)通，D2截止，電流通路如圖中實線所標(biāo)注，穩(wěn)壓管DZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓uo=+UZ。

當(dāng)ui小于URL時，必然小于URH，所以A1的輸出uo1=-UOM，A2的輸出uo2=+UOM，因此D2導(dǎo)通，D1截止，電流通路如圖中虛線所標(biāo)注，DZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓uo仍為+UZ。

當(dāng)URL

URH和URL分別為比較器的兩個閾值電壓，令URH和URL均大于零，則圖1(a)所示電路的電壓傳輸特性如圖1(b)所示。

2 基于CMOS反相器的脈沖窗口比較器

傳統(tǒng)窗口比較器實際上是用兩個單限比較器實現(xiàn)了輸入電壓與兩個閾值電壓的比較，是一種比較典型的電路結(jié)構(gòu)，但圖1所示的傳統(tǒng)窗口比較器同時只能輸出一個極性的脈沖，設(shè)計一個基于CMOS反相器的脈沖窗口比較器電路，這種電路結(jié)構(gòu)可以同時輸出兩個極性的脈沖，且兩種脈沖極性恰好相反，電氣原理如圖2所示。

圖2 基于CMOS反相器的脈沖窗口比較器

可以看到，這種基于反相器的窗口比較器只用了三個CMOS反相器、二個電阻、二個預(yù)置電位器和一個開關(guān)二極管，分為輸入信號電路、下閾值電壓產(chǎn)生電路、上閾值電壓產(chǎn)生電路、正極性脈沖輸出電路、負(fù)極性脈沖輸出電路等，該設(shè)計沒有采用傳統(tǒng)窗口比較器的設(shè)計方案：利用兩個單限比較器來產(chǎn)生“窗口”信號，而是直接利用CMOS反相器本身的閾值電壓來實現(xiàn)輸出信號的反轉(zhuǎn)，詳細(xì)描述如下。

輸入信號從電位器P1進入該脈沖窗口比較器，窗口比較器的兩個閾值電壓可用預(yù)置電位器P1、P2來調(diào)整，輸入信號下閾值電壓UL產(chǎn)生電路由電位器P1和電阻R1組成；上閾值電壓UH產(chǎn)生電路由電位器P1、P2、電阻R2、反相器N1組成，這樣脈沖窗口寬度為UH--UL。

圖3描繪了基于CMOS反相器的脈沖窗口比較器的功能，電路供電為10V。在脈沖窗口比較器輸入端加上一個三角形電壓uI，在圖2所示電路的X點就有圖3所示輸出脈沖電壓。圖3橫軸為時間t，縱軸為電壓信號，包括脈沖窗口比較器輸入信號和輸出信號，其中虛線為三角形輸入電壓，實線為輸出脈沖信號。

圖3 基于CMOS反相器的脈沖窗口比較器電壓傳輸特性

這里首先要明白CMOS反相器的閾值電壓與窗口比較器的上、下閾值電壓的含義是不同的，CMOS反相器的閾值電壓是反相器輸出反轉(zhuǎn)時的反相器輸入電壓值，窗口比較器的上、下閾值電壓是描述圖1所示窗口電路的傳輸特性。

CMOS反相器的閾值電壓通常為供電電壓的一半，但可能有30%的誤差，圖4為CMOS反相器電壓傳輸特性示意圖，其中1/2VDD即為CMOS反相器的閾值電壓VTH[2]。

圖4 CMOS反相器電壓傳輸特性

總之，基于CMOS反相器的脈沖窗口比較器的上限UH閾值由電位器P2決定，下限UL閾值由電位器P1決定，在圖3所示的基于CMOS的窗口比較器的電壓傳輸特性曲線中可以發(fā)現(xiàn)，輸入曲線uI的上升沿的兩個閾值(下限閾值4.8V、上限閾值8.4V)與下降沿的兩個閾值(上限閾值7.2V、下限閾值4V)是不一樣的，后者低于前者，這是由于上升沿閾值與下降沿閾值是由不同的電位器P1、P2參數(shù)造成的，目的是為了體現(xiàn)電位器P1、P2的作用而特意設(shè)計，故圖3所示的上升沿形成的脈沖窗口與下降沿形成的脈沖窗口是由不同的電氣參數(shù)或在不同電路條件下形成的[3]。

輸入信號Ui從零開始逐漸升高，通過觀察圖2所示組成上、下閾值電壓電路可以發(fā)現(xiàn)，上閾值電壓UH是否觸發(fā)的關(guān)鍵是反相器N1是否被觸發(fā)，實際上N1能否被觸發(fā)不單決定于P2，而是由P1、P2共同決定。

如果窗口比較器輸入電壓Ui超過P1設(shè)定的下限閾值UL，反相器N2、N3連續(xù)被觸發(fā)(反相器N1由于P2、R2的存在，達不到觸發(fā)條件)，則比較器輸出點X的電壓變?yōu)檫壿嫛?”。若輸入電壓Ui達到P2所設(shè)定的上限閾值UH，輸入電壓Ui雖然有觸發(fā)N2、N3的條件，但由于這時反相器N1被觸發(fā)，N1輸出低電平“0”，開關(guān)二極管D1導(dǎo)通，反相器N2輸入端電壓被箝位在0.7V左右，故X點輸出點的電壓又變?yōu)檫壿嫛?”。

直至輸入電壓Ui下降沿降到上限閾值UH(注意這時由于電氣參數(shù)的改變，上限閾值與下限閾值俱已改變)以下，反相器N1輸出反轉(zhuǎn)為高電平，N2輸入端仍為高電平，故輸出點X又返回到邏輯“1”，一直保持該狀態(tài)，只要輸入電壓Ui一達到下限閾值UL，N2輸入端變?yōu)榈碗娖?、輸出反轉(zhuǎn)，輸出點X回到邏輯“0”[4]。

由于Y點信號從反相器N2輸出，故Y點信號與X點信號極性剛好相反，幅值相同，X、Y點波形如圖5所示。

圖5 脈沖窗口比較器輸出信號波形對比圖

3 結(jié)語

該設(shè)計方案簡單、新穎，當(dāng)然該電路的簡單性意味著對性能質(zhì)量要求做出了一些讓步，所以對上升時間和衰減時間都短的高頻輸入信號，不能滿意地進行處理，然而，本設(shè)計為常用的脈沖窗口比較器提供了一個廉價而又簡單的方法。