数字电路·模拟之章

为什么叫模拟之章呢？是因为这篇主要是涉及模拟电路的部分。

门电路

CMOS门电路

要研究CMOS门电路，首先要认识MOS器件以及它们的特性。

MOS管的基本概念

MOS管全名叫“结型场效应晶体管”，我们平常见到的有以下四种

注意看：箭头方向决定是N还是P，线的虚实决定是增强还是耗尽。

MOS管的符号也有简化画法，如下：

它们的特性按P、N和增强、耗尽，有所不同：

N沟道的，当接足够大的正向电压时，之间相当于联通。P沟道的，当之间接足够大的反向电压，之间相当于导通。
增强型，开启电压为正。以沟道为例，当时，之间才能相当于联通。耗尽型，截止电压为负。以沟道为例，只要，其中，之间就能导通，也就是说为了让N沟道耗尽型的DS之间不再导通，需要一个足够大的负值电压才行。

为了加深对这个特性的理解，我们来分析一下下面这个电路：

约定：大于两管开启电源绝对值之和。

当（接低电平）时，P沟道增强型MOS管的，于是两端相当于连通，，输出高电平。此时截止，两端相当于断路。
当（接低电平）时，N沟道增强型MOS管的，于是导通，输出地（0V），此时截止，两端相当于断路。
综上所述，这是个非门。

经典门电路的MOS管实现

对于CMOS器件构成的门电路，不允许输入端悬空，输入端经电阻接地时和低电平等效，输入端经电阻接电源时和高电平等效。

OD门

OD门全称为漏极开关输出门电路，它的电路长这样：

其逻辑符号为门电路符号里面加一个带下划线的菱形，如下：

OD门要正常工作，必须把输出端经过一个上拉电阻和电源相连。也就是电路详图中的，这样一来，输出的高电平具体是几伏，就取决于而不是了。

把多个OD门的输出端直接接在一起，可以构成“线与”逻辑，如下图所示：

这时，有。有时，线与的与门符号省略，直接用圆点表示。

在选取时，应该注意以下原则：

不能太大，以保证。在这个条件下，有：这里的当然是连接的那个电源，其中是OD门的数目，是下一级输入端的数目（比如说，一个与非门一般有两个输入端），是OD门截止时的漏电流，是负载门每个输入端的高电平输入电流
不能过小，以保证“灌入”的负载电流不大于单只OD门可承受的输入电流。有：是下一级输入端的数目。

传输门

其特性为：

接高电平而接低电平，，相当于信号直接通过
接低电平而接高电平，相当于中间的电路断开，输出是高阻态。

三态门

三态门是一个正常的门电路外加一个信号，里面画一个倒三角。当为有效信号（上图是低电平有效，也就是）时，门电路正常工作，否则，输出高阻态。

TTL门电路

我也不会分析，所以分析略。

这里这个OC门（集电极开路输出的门电路）就和前面那个OD门意思差不多，也有线与，也得算的范围。不同的是，当输出端含有与非门时，要按与非门的门数计算，而不是端数。

对于TTL门电路，输入端悬空等效于逻辑高电平；输入端经过几十千欧以内的电阻接电源，等效于逻辑高电平；输入端经过几十欧的小电阻接地等效于低电平，当电阻升高到一定程度（一般是几千欧）以后，等效为高电平。

脉冲波形的产生和整形电路

施密特触发器

施密特触发器是脉冲波形变换中的常用电路。它具有以下两个特点：

输入信号本来是低电平，上升的过程中电路状态发生转换时对应的输入电平，和输入信号本来是高电平，下降的过程中电路状态发生转换时对应的输入电平不相等
在电路状态变化的过程中，电路内存在正反馈过程，从而使得电压波形非常陡峭

施密特触发器的电路图如下：

当从0开始逐渐上升，使得时，门的输出端下降，变成低电平，于是门的输出端抬升，变成高电平。因为对回路，有抬升的通过电阻反作用于，使得继续上升。于是，迅速地达到高电平。

在上述过程中，状态转换发生的瞬间，此时还是低电平，有：解得其中是施密特触发器上升过程中电路状态转换瞬间对应的输入电平，是逻辑门高低电平的分界线。

同理，当从高电平开始下降，直到时，门的输出端抬升，变成高电平，于是门的输出端下降，根据上面的式子，下降的作用于形成正反馈，使得继续下降，于是迅速地达到0.

同样，有：解得：其中是施密特触发器下降过程中电路状态转换瞬间对应的输入电平。

于是，可以得到施密特触发器的电压传输特性：

中间的部分叫做回差电压：如果施密特触发器要正常工作，那么，否则会发生互锁。

施密特触发器的电路符号如下：

上面的同相输出，下面的是反相输出。

单稳态电路

单稳态电路具有以下特点：

具有稳态、暂稳态两个不同的工作状态
在外界脉冲的触发下，从稳态进入暂稳态，并在暂稳态停留一段时间后恢复稳态。这段时间的长度只和电路本身的参数有关，和触发脉冲的持续时间，强度无关。

这个工作特性可以类比声控灯，触发脉冲就是声音，无论你拍个手，还是长时间地播放声音，无论声音多大，只要能触发，它一次就亮那么长时间。

微分型单稳态电路

如图，微分型单稳态电路由一些电阻、电容、或非门和非门构成。其前级由构成一个微分电路，环路内由构成一个微分电路。

输入端本来是低电平，当向输入端加入一个脉冲时，因为两端电压不可以突变，所以会被拉高，于是上产生一个向下的电流，负电荷流向，开始充电，开始下降。总的来说，微分电路会产生一个尖刺，就像下图一样：

当上升达到时，会下降的低电平，因为两端的电压差不能突变，于是也跟着下降到低电平，于是跳变到高电平，电路进入了暂稳态。

这时，上产生了向下的电流，正电荷流入，电容开始充电。随着充电的进行，逐渐抬升，直到其抬升到，此时下降为低电平，低电平反馈回（因为此时已经回到低电平），使得抬升为高电平，进而使得抬升。此时，电容通过电阻和门的输入保护电路向放电，直至电容上的电压为，电路恢复稳态。

全过程的电压波形如下：

我们考察回路充电的过程。从充电开始到变化到的耗时为：把带入，有：这就是暂稳态持续的时间。

当恢复稳态后，还要经历一个放电的过程。放电的时间为：其中是的输出电阻。整个电路两个相邻触发脉冲的最小时间间隔为

积分型

如图是用与非门、非门、积分电路构成的积分型单稳态电路。

当输入正脉冲时，变成低电平，但是因为两端的电压不能突变，所以仍然维持在高电平。的输入端是两个高电平，输出低电平，电路进入暂稳态。

此时，电容开始放电。随着电容的放电，不断降低，直到低过。此时，与非门的其中一个输入变成低电平，回到高电平。等到输入端的脉冲结束以后，又变成高电平，给电容充电，经过一段时间以后，电容充满电，电路恢复稳态。

全过程电压波形图如下：

在计算电容放电过程时，有放电等效电路：

放电时，相当于和串联，有：充电时，有：整个电路两个相邻触发脉冲的最小时间间隔为：

多谐振荡器

对称式多谐振荡器

对称式多谐振荡器的电路图如下：

那么有人就说了：这也不对称啊？其实，它可以画成这样的形式：

对称式多谐振荡器是没有“稳态”的，和被反馈电阻偏置到放大状态。在一开始的“不平衡稳定态”，门工作在转折区，有：。

现在，因为某些原因，给上加一个微小的扰动，使其有一个正跳变。那么，会下降，因为电容的存在，跟着一起下降，于是上升，经过电容而继续带动的上升，进入一个正反馈过程，此时电路进入了暂稳态。

需要注意的一点是，在接下来的分析里，我们要明确哪些电压是有外界电源保持的，哪些电压是纯数字（只有两个状态的），哪些电压是没有外界电源保持的，哪些电压是模拟（可以连续变化的）。因为这样才能知道是谁在对谁充电、画波形图时也比较方便。

有外界电源保持的电压，是纯数字的，作为门的输出端口电压出现；没有外界电源保持的电压，是模拟的，作为门的输入端口的形式出现。

对于，因为上升而下降，电流从流入，对其进行充电。这时，实际上是的外接电源通过，来对进行充电。此外，流入的还有门输入级的电流。因为是有外界电源保持的，所以充电的效果是：缓慢抬升。

对于，因为上升而下降，向电阻放电。因为一开始给了的一个向上的微扰，当反馈回来时，，但是是没有外界电源保持的，因此会放电，把放下去。于是，放电的效果就是缓慢下降。那么有人就问了，既然一开始的所谓“不稳定的平衡态”，这四个电压都一样，上本来就没有电。那么放电的“电”来自于何处呢？是来自于一开始的正跳变后引发的正反馈过程。

电路的充放电回路示意图如下：

接下来，我们详细分析一下充放电过程。

对于:

由戴维南定理，首先把所有电源接地，看进去等效于两个电阻并联，于是有：接着运用叠加定理，或者说以为基准进行分析，得到等效电源：对于:

因为同时有两个电源伺候，所以它冲的比较快，抢先一步达到，此时下降为低电平，连带着一起下降，然后通过使得上升。的上升又通过电容传递给，此时，电路进入第二个暂稳态，开始充电使得下降，开始放电使得上升。从开始到达到的时间为：因为还是有两个电源伺候，所以这次轮到先上升到，使得下降到低电平，因为电容的存在，跟着一起下降，于是上升，经过电容而继续带动的上升，又回到了第一个暂稳态。