專利名稱：一種施密特觸發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微電子集成電路領(lǐng)域，具體涉及一種施密特觸發(fā)器，它具有寬工作溫度范圍，尤其適用于弛張振蕩器電路。

背景技術(shù)：
施密特觸發(fā)器的輸出取決于輸入信號和最近的歷史記錄(即它表現(xiàn)出滯后作用)，這種特性使得施密特觸發(fā)器可應(yīng)用于波形變換、幅度鑒別、噪聲去除和周期性脈沖發(fā)生等電路。前人在施密特觸發(fā)器的設(shè)計中，主要關(guān)心的問題包括低電壓、低功耗和高速等。涉及的技術(shù)包括動態(tài)體效應(yīng)、可變閾值技術(shù)和CMOS邏輯閾值控制技術(shù)等，但忽視了溫度和電源電壓對于施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)閾值電壓影響。
傳統(tǒng)的施密特觸發(fā)器為六管串聯(lián)的形式(Rabaey Jan M.DigitalIntegrated Circuitsa design perspective[M].USAPrentice-HallInternational，Inc.1996366～367，111-112)，它使用串聯(lián)的兩個NMOS和兩個PMOS對輸入電平的檢測，實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)器的功能，該電路受溫度和電源電壓影響較大。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種施密特觸發(fā)器，該施密特觸發(fā)器具有良好的溫度特性。
本實(shí)用新型提供的施密特觸發(fā)器，其特征在于它包括RS觸發(fā)器和第一至第四CMOS反相器； 第一、第二CMOS反相器的輸入端相連，作為觸發(fā)器的輸入端，第一CMOS反相器的輸出端連接RS觸發(fā)器的S輸入端，第二CMOS反相器的輸出端連接第三CMOS反相器的輸入端，第三CMOS反相器的輸出端連接RS觸發(fā)器的R輸入端，RS觸發(fā)器的第一輸出端連接第四CMOS反相器的輸入端，第四CMOS反相器的輸出端作為一個總輸出端，RS觸發(fā)器的第二輸出端作為另一個總輸出端，它與RS觸發(fā)器的第一輸出端的狀態(tài)相反；第一CMOS反相器中NMOS管N1的寬長比(W/L)N1與PMOS管P1的寬長比(W/L)P1的比值

為1～5，第二CMOS反相器中的NMOS管N2的寬長比(W/L)N2與PMOS管P2的寬長比(W/L)P2的比值

為10～15。
本實(shí)用新型提出的施密特觸發(fā)器使用CMOS反相器，其翻轉(zhuǎn)電平由輸入端兩反相器——低翻轉(zhuǎn)閾值電壓反相器和高翻轉(zhuǎn)閾值電壓反相器決定。由于PMOS管閾值電壓和NMOS管閾值電壓與溫度的關(guān)系有抵消作用，故本實(shí)用新型提出的施密特觸發(fā)器溫度特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的施密特觸發(fā)器。由上述的施密特觸發(fā)器構(gòu)成的馳張振蕩器的溫度系數(shù)小?？傊?，本實(shí)用新型既具有類似傳統(tǒng)施密特觸發(fā)器電源電壓特性，又具有良好的溫度特性。
本實(shí)用新型可以良好的應(yīng)用于波形變換、幅度鑒別、噪聲去除和周期性脈沖發(fā)生等電路，以上電路可以作為關(guān)鍵模塊被系統(tǒng)電路(例如高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器、溫度測量電路)采用，并獲得優(yōu)良的性能。

圖1為本實(shí)用新型提出的施密特觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖3為圖2所示的電路結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的波形。
圖4為基于本實(shí)用新型提出的施密特觸發(fā)器的馳張振蕩器實(shí)例。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如圖1所示，本實(shí)用新型提出的施密特觸發(fā)器電路包括RS觸發(fā)器103和第一至第四CMOS反相器101、102、104、105。輸入端106連接反相器101、102的輸入端，反相器101的輸出端107連接RS觸發(fā)器的S輸入端，反相器102的輸出連接反相器104的輸入端108，反相器104的輸出端109連接RS觸發(fā)器的R端，RS觸發(fā)器的輸出端110連接反相器105的輸入端，105的輸出端111輸出信號。
現(xiàn)在結(jié)合圖1分別介紹CMOS反相器101、102、104、105和RS觸發(fā)器103的功能。
CMOS反相器101和102用于對施密特觸發(fā)器高低翻轉(zhuǎn)閾值的檢測，CMOS反相器104和105用于提供簡單的反相功能。根據(jù)施密特觸發(fā)器的要求，第一CMOS反相器101應(yīng)具有較高的翻轉(zhuǎn)閾值電壓VH，第二CMOS反相器102應(yīng)具有較低的翻轉(zhuǎn)閾值電壓VL。依據(jù)CMOS反相器的定義，反相器的翻轉(zhuǎn)閾值VM滿足如下關(guān)系式 式中，

kN＝μN(yùn)Cox(W/L)N，kP＝μPCox(W/L)P，VTP為PMOS管閾值電壓，VTN為NMOS管閾值電壓。根據(jù)公式(1)可知，要使反相器101有較高的翻轉(zhuǎn)閾值電壓，只需反相器101中NMOS管的寬長比(W/L)N1與PMOS管的寬長比(W/L)P1的比值

較小(例如，可取1～5)；同理，反相器102則需要NMOS管的寬長比(W/L)N2與PMOS管的寬長比(W/L)P2的比值

較大(例如，可取10～15)。
施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)電壓取決于第一CMOS反相器101從高電平翻轉(zhuǎn)到低電平的閾值電壓VH和第二CMOS反相器102從低電平翻轉(zhuǎn)到高電平的閾值電壓VL，并可用CMOS反相器的翻轉(zhuǎn)閾值電壓來決定。
RS觸發(fā)器103用于得到具有遲滯特性的輸出波形。當(dāng)RS觸發(fā)器的輸入端為107＝1，109＝0時，輸出端110＝1，112＝0；當(dāng)輸入端107＝0，109＝1時，輸出端110＝0，112＝1；當(dāng)輸入端107＝0，109＝1時，輸出端110保持不變。RS觸發(fā)器的這種輸入輸出特性可以將輸入節(jié)點(diǎn)107和109的波形變換成具有遲滯特性的輸出波形。
高翻轉(zhuǎn)閾值電壓反相器與RS觸發(fā)器之間，以及低翻轉(zhuǎn)閾值電壓反相器與RS觸發(fā)器之間，可以增加任意的延時單元或者整形電路，只需保證兩者到RS觸發(fā)器的R和S端的輸入信號邏輯相反即可。
RS觸發(fā)器可以采用兩個相互連接的與非門構(gòu)成，也可采用兩個相互連接的或非門構(gòu)成。圖2為本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
的電路結(jié)構(gòu)圖，它采用了兩個相互連接的與非門構(gòu)成的RS觸發(fā)器。該電路包括RS觸發(fā)器103和第一至第四CMOS反相器101、102、104、105，它們的連接關(guān)系與圖1完全相同。RS觸發(fā)器由兩個相互連接的與非門NAND1和NAND2構(gòu)成，RS觸發(fā)器的一個輸入端107連接到NAND1的一個輸入端，RS觸發(fā)器的另一個輸入端109連接到NAND2的一個輸入端，NAND1的輸出端110作為RS觸發(fā)器的一個輸出端，同時它連接到NAND2的另一個輸入端，NAND2的輸出端112作為RS觸發(fā)器的另一個輸出端，同時它連接到NAND1的另一個輸入端。第一至第四CMOS反相器101、102、104、105具有完全相同的結(jié)構(gòu)，它們都由一個NMOS和一個PMOS相互連接構(gòu)成，例如，在第一CMOS反相器101中，PMOS管P1的柵極與NMOS管N1的柵極相連，作為反相器101的輸入端106，PMOS管P1的漏極和NMOS管N1的漏極相連，作為反相器的輸出端107，PMOS管的源極連接到電源VCC，NMOS管的源極連接到電路的公共地GND。另外，根據(jù)前文的分析，反相器101中NMOS管N1的寬長比(W/L)N1與PMOS管P1的寬長比(W/L)P1的比值

較小，通常其取值范圍為1～5。反相器102中NMOS管N2的寬長比(W/L)N2與PMOS管P2的寬長比(W/L)P2的比值

較大，通常其取值范圍為10～15。
下面以圖2為例介紹本實(shí)用新型電路的工作原理和工作過程，圖3為各節(jié)點(diǎn)波形。
若輸入端106輸入一個緩慢增大的信號(106波形)，當(dāng)電壓大于反相器101的翻轉(zhuǎn)電平時，節(jié)點(diǎn)107將出現(xiàn)低電平(107波形)，當(dāng)電壓大于反相器102的翻轉(zhuǎn)電平時，節(jié)點(diǎn)108將出現(xiàn)低電平(108波形)，而節(jié)點(diǎn)109為高電平(109波形)，由于反相器101，反相器102的翻轉(zhuǎn)電平不同，因此電壓出現(xiàn)了滯后。節(jié)點(diǎn)108和109的電壓通過RS觸發(fā)器103后產(chǎn)生了節(jié)點(diǎn)110的波形，具有施密特觸發(fā)器的滯后特性。
新提出的施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)閾值電壓對電源電壓求微分得 其中，VH為CMOS反相器101的翻轉(zhuǎn)閾值電壓，VL為CMOS反相器102的翻轉(zhuǎn)閾值電壓，由式(2)(3)可知，隨著電源電壓和芯片溫度增加，施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)閾值電壓的變化規(guī)律接近，與電路結(jié)構(gòu)(即遲滯量)有關(guān)。
Filanovsky(CMOS Schmitt trigger design[J].IEEE transactions on circuitsand system21fundamental theory and applications，1994，41(1)46249.)給出傳統(tǒng)施密特觸發(fā)器的閾值電壓對溫度求微分的表達(dá)式 新提出的施密特觸發(fā)器的閾值電壓對溫度求微分得 其中VTN，VTP分別為NMOS和PMOS的閾值電壓。由于PMOS管閾值電壓與NMOS管閾值電壓與溫度的關(guān)系有抵消作用，故新提出的施密特觸發(fā)器溫度特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的施密特觸發(fā)器。
各反相器和RS觸發(fā)器均可以采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，也可以采用雙極型電路工藝實(shí)現(xiàn)，還可以采用BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
本實(shí)用新型的施密特觸發(fā)器尤其適合于要求對電源電壓變化不敏感，對電路溫度變化不敏感的電路中。典型應(yīng)用是用本實(shí)用新型構(gòu)成如圖4所示的馳張振蕩器，產(chǎn)生相對精度較高的時鐘產(chǎn)生電路，它包含本實(shí)用新型提出的施密特觸發(fā)器電路401和一個電容402、一個電阻403、一個NMOS晶體管404和一個CMOS緩沖器405。電阻403的一端連接電源VDD，另一端406連接電容402的上極板和施密特觸發(fā)器的輸入端和NMOS晶體管404的漏極，電容402下極板和NMOS晶體管404的源極接地，施密特觸發(fā)器401的輸出端407接CMOS緩沖器405的輸入端，CMOS緩沖器405的輸出端接NMOS晶體管404的柵極，NMOS晶體管404的襯底接地，施密特觸發(fā)器的輸出端407為產(chǎn)生的信號的輸出端。
下面結(jié)合圖4介紹馳張振蕩器電路工作過程如下 開始時，由于NMOS管404截止，電源通過電阻403對電容402充電使施密特觸發(fā)器401輸入端406處于高電平。如果電路由于噪聲的原因在施密特觸發(fā)器401輸入端406產(chǎn)生了一個低電平，于是在施密特觸發(fā)器401輸出407產(chǎn)生了高電平，導(dǎo)致NMOS管404導(dǎo)通，于是電容402通過NMOS 404回路放電，當(dāng)施密特觸發(fā)器401的輸入端406電平低于翻轉(zhuǎn)閾值電壓時，施密特觸發(fā)器輸出407高電平。這時電源又通過電阻403對電容402充電使施密特觸發(fā)器401輸入端406處于高電平。由于NMOS管404導(dǎo)通電阻很小，因此放電時間非常小。
振蕩器充電時間為 式中R、C分別為充電回路中電阻和電容值，VDD為電源電壓，VL和VH分別為施密特觸發(fā)器的低和高翻轉(zhuǎn)閾值電壓。假設(shè)RC為恒定值，令對電源電壓求微分 傳統(tǒng)施密特觸發(fā)器和本實(shí)用新型提出的施密特觸發(fā)器對電源電壓的依賴程度決定于電路結(jié)構(gòu)(即遲滯量)，并且兩者比較接近。
對溫度求微分(假定NMOS管和PMOS管的閾值電壓VT具有相同的溫度特性) 新提出的施密特觸發(fā)器由于兩反相器對溫度的依賴關(guān)系相反而相互抵消。從而得到更優(yōu)異的溫度特性。
本實(shí)用新型不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本實(shí)用新型，因此，凡是采用本實(shí)用新型的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1、一種施密特觸發(fā)器，其特征在于它包括RS觸發(fā)器(103)和第一至第四CMOS反相器(101、102、104、105)；
第一、第二CMOS反相器(101、102)的輸入端相連，作為觸發(fā)器的輸入端，第一CMOS反相器(101)的輸出端連接RS觸發(fā)器(103)的S輸入端，第二CMOS反相器(102)的輸出端連接第三CMOS反相器(104)的輸入端，第三CMOS反相器(104)的輸出端連接RS觸發(fā)器(103)的R輸入端，RS觸發(fā)器(103)的第一輸出端(Q)連接第四CMOS反相器(105)的輸入端，第四CMOS反相器(105)的輸出端作為一個總輸出端，RS觸發(fā)器(103)的第二輸出端(Q~)作為另一個總輸出端，它與RS觸發(fā)器(103)的第一輸出端(Q)的狀態(tài)相反；第一CMOS反相器(101)中NMOS管N1的寬長比(W/L)N1與PMOS管P1的寬長比(W/L)P1的比值
為1～5，第二CMOS反相器(102)中的NMOS管N2的寬長比(W/L)N2與PMOS管P2的寬長比(W/L)P2的比值
為10～15。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的施密特觸發(fā)器，其特征在于RS觸發(fā)器(103)由兩個相互連接的與非門構(gòu)成。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的施密特觸發(fā)器，其特征在于RS觸發(fā)器(103)由兩個相互連接的或非門構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種施密特觸發(fā)器，尤其適用于弛張振蕩器電路。該施密特觸發(fā)器電路包括四個CMOS反相器和一個RS觸發(fā)器電路。反相器用于對施密特觸發(fā)器高低翻轉(zhuǎn)閾值的檢測，RS觸發(fā)器電路實(shí)現(xiàn)電路翻轉(zhuǎn)狀態(tài)之間的遲滯。本實(shí)用新型的施密特觸發(fā)器電路具有與傳統(tǒng)施密特觸發(fā)器電路相似的電源電壓依賴特性，但是有更加優(yōu)異的溫度特性，而且具有使用方便，抗器件特性退化，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。
文檔編號H03K3/037GK201191817SQ20082006674
公開日2009年2月4日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者鄒志革, 明 黎, 李文海, 堯 劉, 竺明達(dá), 鄒雪城 申請人:華中科技大學(xué)