Desain Schmitt Trigger CMOS

Abstrak

CMOS Schmitt memicu desain dengan batas sirkuit yang diberikan. Pendekatan ini didasarkan pada mempelajari transien dari satu keadaan stabil ke keadaan lain saat pemicu beroperasi secara linier. Pemicunya dibagi menjadi dua subcircuits; Masing-masing dianggap sebagai beban pasif untuk yang lain. Hal ini memungkinkan hubungan yang mengatur penyimpangan ambang batas rangkaian dari nilai yang diberikan yang akan diperoleh. Ukuran perangkat pemicu ditentukan oleh toleransi ambang batas.

Latar Belakang

CMOS Schmitt adalah sirkuit yang terkenal. Namun, desain sirkuit ini belum pernah diselidiki secara detail. Operasi rangkaian yang dijelaskan memberikan petunjuk pada beberapa hubungan antara ukuran perangkat di sirkuit. Namun, uraiannya tidak lengkap; Itu tidak termasuk perilaku rangkaian di dekat titik transisi dari satu keadaan stabil ke keadaan yang lain (hanya dinyatakan bahwa transisi cepat). Studi lebih rinci yang diberikan memperkenalkan hubungan tambahan yang diperlukan untuk melengkapi desain dan memilih semua ukuran perangkat. Dalam teknologi bipolar, transistor p-n-p jauh lebih lambat dari pada n-p-n, dan prototip bipolar untuk keseluruhan rangkaian tidak diketahui. Pemicu Schmitt bipolar mencakup pasangan diferensial n-p-n yang dimuati dengan sebuah resistor. Akibatnya, analisis rangkaian disederhanakan, dan kita dapat menemukan perkiraan perhitungan voltase sirkuit yang berkurang. Baru-baru ini, analisis pemicu NMOS Schmitt dengan beban resistif linier diterbitkan. Mencakup dua subcircuits yang serupa (MI, Mz, M3 dan Mq, Ms, M6). Masing-masing adalah beban yang sangat nonlinier untuk yang lainnya. Pertama, mereka diformulasikan sebagai dua persamaan yang menghubungkan ukuran perangkat dengan tegangan batas yang diberikan. Dua persamaan tambahan menggambarkan hubungan antara parameter perangkat dan toleransi voltase ambang. Akhirnya, dua ketidaksetaraan menghubungkan beberapa arus spesifik subcircuits dan memberikan beberapa rincian tentang bentuk karakteristik U0 pemicu.

Teori

Schmitt Trigger adalah rangkaian komparator dengan histeresis yang diterapkan dengan menerapkan umpan balik positif ke input noninverting dari komparator atau penguat diferensial. Ini adalah rangkaian aktif yang mengubah sinyal input analog menjadi sinyal keluaran digital. Sirkuit ini diberi nama "Trigger (pemicu)" karena output mempertahankan nilainya sampai perubahan input cukup untuk memicu perubahan. Pada konfigurasi non-inverting, bila input lebih tinggi dari batas yang dipilih, outputnya tinggi. Bila input berada di bawah batas yang berbeda (rendah), outputnya rendah, dan bila input berada di antara dua tingkat, output tetap mempertahankan nilainya. Tindakan dual threshold ini disebut histeresis dan menyiratkan bahwa Schmitt Trigger memiliki memori dan dapat bertindak sebagai multivibrator bistable (latch or flip-flop).

Metode Penelitian

Seperti disebutkan sebelumnya, pengoperasian pemicu CMOS Schmitt. Akan mengikuti deskripsi ini, memodifikasi dan menghentikannya pada titik yang sesuai untuk mendapatkan hasil yang diperlukan untuk perancangan pemicu. Asumsikan bahwa diperlukan untuk merancang pemicu Schmitt dengan nilai ambang batas VH = 3,8 V dan VLI = 1,8 V. Sirkuit harus beroperasi dengan Vdd = 5 V. Sirkuit direalisasikan dalam proses CMOS dengan parameter transkonduktansi perangkat dari (PnC0,) / 2 = 16,2 PAN 'dan (ppC0,) / 2 = 7,2 PAN'. Tegangan ambang perangkat adalah VTN = 0,55 V dan ~ VTP ~ = 0,60 V (parameter proses ini khas untuk teknologi proses SACMOS 3 pm, dan contoh yang dibahas dirancang sebagai bagian dari multivibrator sensitif kelembaban yang direalisasikan pada Teknologi ini). Dengan mensubstitusikan nilai VDD, VH ;, dan VTN pada (16), kita menemukan bahwa k3 / k1 = 7,33. Jika seseorang mengambil (W / L) 1 = (6/6), di mana lebar dan panjangnya berada dalam mikron, maka kita harus memilih nilai bulat terdekat (W / L) 3 = (44/6). Perhatikan bahwa tidak mungkin memilih perangkat MS dengan geometri minimal, seperti yang disarankan pada Geometri perangkat yang dipilih memberikan kl = 16,2 pAN2 dan dengan menggunakan nilai VDD, VL ~, dan IC $ PI, seseorang memperoleh dari (17) bahwa k ~ / k4 = 2,09. Jika satu mengambil (W / L) 4 = (14/6) (ini memberi kq = 16,8 pAN2) maka ks = 35,1 pAN2 dan (W / L) 6 = (29/6). Jika satu mengambil kz = 3kl = 48,6 pAN2 dan ks = 5k4 = 84 pAN2 maka satu dapat mengambil, misalnya, (W / L) 2 = (18/6) dan (W / L) s = (70/6). Dengan menggunakan nilai parameter perangkat yang dipilih sebelumnya, seseorang menemukan dari (27) dan (28) bahwa AVH = 0,17 V dan AVL = -0,18 V. Dengan demikian, perubahan pemicu menyatakan pada 1'H = 3,97 V dan VL = 1,62 V, nilai Yang berbeda dari VH ~ dan VL ~. Perbedaannya bisa dikurangi jika lebar perangkat meningkat. Hasil ini diverifikasi dengan menggunakan program simulasi ESPICE [151 dan kemudian diamati di sirkuit eksperimental. Akhirnya, kita dapat menemukan dari (30) dan (31) bahwa Io.w ~ = 142,1 pA dan Iop ~ = 2,6 pA. Jadi, (29) sudah puas. Perhitungan serupa dengan menggunakan (33) dan (34) memberikan I0p ~ = 108,2 pA dan io ^^ = 13,9 pA dan (32), karenanya, juga terpenuhi.

Kesimpulan

Desain pemicu CMOS Schmitt bisa selesai jika Operasi rangkaian rinci di dekat titik transisi dianalisis.Analisis ini memberikan batas yang benar dan memungkinkan seseorang untuk mengevaluasi Perbedaan antara ambang batas dan titik awal transisi (Yang salah dianggap dan ditetapkan sebagai ambang batas). Itu karakteristik arus tegangan dari subcircuits pemicu memungkinkan satu untuk tentukan kondisi untuk membuat pemicu karakteristik transfer lebih banyak persegi panjang.

Daftar Pustaka

1.      D. A. Hodges and H. G. Jackson, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits. New York: McGraw-Hill, 1983.

2.      P. R. Gray and R. G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 2nd ed. New York; Wiley, 1984

3.      J. G. Goaling, Electronics: Models, Analysis and Systems. New York: Marcel Dekker, 1982.

4.      H. Taub and D. Schilling, Digital Integrated Electronics. New York: McGraw-Hill, 1977.

5.      L. Strauss, Wave Generation and Shaping. New York: Wiley, 1970.

6.      H. U. Lauer, “Comments on ‘Accurate determination of threshold levels of a Schmitt trigger,”’ IEEE Trans. Circ. Syst., vol. 34, pp. 1252-1253, 1987.

7.      S. C. Dutta Roy, “Comments on ‘Accurate determination of threshold levels of a Schmitt trigger,’ ” IEEE Trans. Circ. Syst., vol. CAS-33, pp. 734-735, 1986.

8.      C. J. F. Ridden, “Accurate determination of threshold levels of a Schmitt trigger,” IEEE Trans. Circ. Syst., vol. CAS-32, pp. 969-970, 1985.

9.      M. J. S. Smith, “On the circuit analysis of the Schmitt trigger,” IEEE J. Solid-state Circ., vol. 23, pp. 292-294, 1988.

10.  R. Gregorian and G. C. Temes, Analog MOS Integrated Circuits for Signal Processing. New York; Wiley, 1986

11.  J. F. Kukielka and R. G. Meyer, “A high-frequency temperature-stable monolithic VCO,” IEEE J. Solid-state Circ., vol. SC-16, pp. 639-647, 1981.

12.  I. M. Filanovsky and I. G. Finvers, “A simple nonsaturated CMOS multivibrator,” IEEE J. Solid-state Circ., vol. 23, pp. 289-292, 1988.

13.  I. M. Filanovsky, “Stability of oscillation frequency of ECL-based multivibrator,” Int. J. Electronics, vol. 68, pp. 829-837, 1990.

14.  C. Bleiker, “Electrical parameters of the SAC3 LVLVNV processes,” Faselec Technical Note FZV-3- 10-5 11646, Faselec AG, Zurich, 1988.

15.  ESPICE Reference Manual, Philips Co., Delft, The Netherlands, 1989