微分型单稳态触发器工作原理_555构成的单稳态触发器[通俗易懂]

一、引言

1.什么是单稳态触发器

第一，它具有暂态和暂稳态两个不同工作状态

第二，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，并且在暂稳态持续一段时间，再自动返回稳态。

第三，暂稳态维持时间仅取决于电路本身参数，与其他无关

具有以上特点的触发器称之为单稳态触发器。

2.它有什么用

用于脉冲整形、延时、定时。例如：楼道声控电灯、感应水龙头均可由其实现。

3.它的核心原理是什么

我认为主要有二，一是电容的充放电的延时效应；二是门电路的阈值电压；

下面的电路原理分析会紧靠这两点，读者需深知。

二、背景知识

Tips:学习过数电的同志肯定很难忘第三章的门电路，这块讲的是数电基础期间门电路的内部构成和特性。组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路那几章我们都没用上这块知识，但却是脉冲发生的产生和整形这章的基础知识。但读者无需害怕，笔者会提取门电路这章核心知识点，足够理解单稳态触发器实现过程。

门电路（与门、或门、与非门、或非门、反相器等）：

分类

按生产工艺分为CMOS型和TTL型（读者无需太关注CMOS和TTL是什么，只需记住这两种工艺做出来的门电路的特性参数不同，这点很关键）

主要参数

CMOS门电路：VOH≈VDD (输出‘1’等效电压为VDD（电源电压）)

VOL≈0V （输出‘0’等效电压为0V）

VDD (阈值电压为电源的一半，阈值电压指逻辑0、1的界定值，小于阈值电压认为逻辑‘0’，大于为逻辑‘1’。)

TTL电路： VOH≈3.4V

VOL≈0V

VTH 不同型号不同，题中会给）

注：有些题目会给出，依照题目为准

2.电容特性：

保持两端电压不变，不能瞬时突变，这样解释了为啥电容通交流阻直，当接入交流时，电容两端电压近似相等，看做短路。（电感特性与之相反）

注：以上两点是以下电路分析的重点

三、电路分析

图一由cmos门电路构成的微分型单稳态触发器

为什么叫微分型呢，因为电路中含有一个微分电路。

接下来我会从稳态下、脉冲触发下两种情况分析电路各点变化：

1.稳态分析

一个电路稳态究竟如何，我们需要用遍历的方法得出，即考虑所有情况看哪种符合。

若输入Vi=0（Vi=1结果一样），由于电容隔直特性，Vd=0，假设Vo=1,则Vo1=0,Vi2=1(还是电容隔直特性)，Vo=0，电路并不稳定，故Vo1=1(推导如上方法)。

通过稳态分析，我们可以得出：Vi=1时，Vd=0,Vo1=1,Vi2=1,Vo=0,由此我们可以画出稳态下各点电压波形图（一定要准确，否则影响脉冲触发后的波形变化）。

2.脉冲触发分析

当Vi正跳变（由‘0’变为Vm）,由于电容Cd上电压不能突变（来不及充电，看做短路，），则Vd=Vm,之后电容开始充电，Vd=Vi-,故Vd电压开始减少。（注：我也提到了这块是微分电路，电容充放点时间取决于时间常数τ，若是τ很小，即电容充电时间短，也就形成所谓尖峰脉冲，反之，若时间长，就是电压跟随的效果）而Vo1=0，此时Vi2先变为0，之后电容C开始充电，Vi2电压逐渐增加（原因同上，这也是为啥我上面提到电容特性原因），此时Vo=1,随着Vi2逐渐增大，当Vi2=Vth时，反相器G2电压发生反转，此时Vo=0（这也是为啥我上面提到门电路特性参数的原因）。到此，最关键的一部分已经说完了，下面分析都与此类似，读者一定要搞明白这块。

当Vi负跳变（由Vm变为0）,由于电容Cd上电压不能突变（来不及放电，看做短路，VCd=Vm（左正右负）），则Vd=0,之后电容开始放电，Vd=-Vm（接在电容负极）,故Vd电压开始增加，电容电放完后，Vd=0，又形成一个负尖峰脉冲。上面分析到电容C充电到Vth后，V0=0，则此时，Vo1=‘1’（逻辑1，其实为VDD），则Vi2=VDD+Vth,之后电容C开始充电，Vi2开始减小，直到VDD。（以上分析可以看出，各点电压是相互影响的，不能孤立分析一处，而是齐头并进，这也是最难得地方）

到此一个脉冲的分析到此结束，其他脉冲分析完全一样，作图时，我们只需要分析一个脉冲即可，其他脉冲的将图形平移即可。

图三输入正跳变，各点电压变化趋势

综上我们可以得到以下各点电压波形图。

图四各点电压波形

四、电路计算

一般主要计算的是Vo输出脉冲宽度。有啥用呢？举个例子：我们用该电路设计楼道电灯声控装置，你喊了一声，电灯亮了，但亮多久就是这个。

接下来怎么算，首先你得知道电容三要素法，再则就是电容充电的状态。

电容三要素法：

推导可得：

电容充放电状态：

由图可知:f(0+)=0,f(t)=Vth,f(00)=VDD

注：f(00)是一个周期内电容最终电压趋，若是放电过程，一般为0。

综上得出最终结果：

五、结语

由cmos门电路构成微分型单稳态触发电路分析到此结束，还有其他三种单稳态触发器，在此不再详细分析，其分析核心方法是一样的，关键是对电容充放电过程的理解以及门电路的器件特性参数的了解，把握好这两点，剩下就是按部就班的一步步分析，注意不同于时序逻辑电路，这里每一点电压都相互影响，所以必须同步分析，如果想验证自己画的图究竟对不对，可以使用Multisim软件进行仿真分析，这也是最准确的。