门电路组成的微分型单稳态触发器

单稳态触发器的特点:
1. 电路中有一个稳态，一个暂稳态。
2. 在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。
3. 暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC 延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间取决于RC 电路的参数值。
单稳态触发器的这些特点被广泛地应用于脉冲波形的变换与延时中 。
1、电路组成及工作原理
微分型单稳态触发器可由与非门和或非门电路组成，图1(a)、(b)分别为由与非门和或非门构成的单稳态触发器。与基本RC 触发器不同，构成单稳态触发器的两个逻辑门是由RC 耦合的，由于RC 电路为微分电路的形式，故称为微分型单稳态触发器。
下面以CMOS或非门构成的单稳态触发器为例，来说明它的工作原理。 (a) 由与非门构成的微分型单稳态触发器 (b) 由或非门构成的微分型单稳态触发器
图1 微分型单稳态触发器 1. 没有触发信号时，电路处于一种稳态。
没有触发信号时，v_Ⅰ为低电平。由于门G₂的输入端经电阻R 接V_DD，因此v_O2为低电平；G₁的两个输入均为0，故输出v_O1为高电平，电容两端的电压接近0V，这是电路的“稳态”。在触发信号到来之前电路一直处于这个状态： v_O1=V_OH，v_O2=V_OL。
2. 外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态。
当v₁正跳变上升到V_th后，开始G₁的输出v_O1由高变低，经电容C 耦合，使v_R为低电平，于是G₂的输出v_O2由低电平变为高电平。v_O2的高电平接至G₁门的输入端，从而在此瞬间导致如下正反馈过程：
这样G₁导通，G₂截止在瞬间完成。此时，即使触发信号v_Ⅰ撤除(v_Ⅰ变为低电平)，由于v_O2的作用，v_O1仍维持低电平。然而，电路的这种状态是不能长久保持的，故称之为暂稳态。暂稳态时，v_O1=V_OL，v_O2=V_OH。
3. 电容充电，电路由暂稳态自动返回至稳态。
在暂稳态期间，电源经电阻R和门G₁的导通工作管对电容C充电，随着充电时间的增加，v_C增加，使v_R升高，当v_R达到阈值电压V_th时，电路发生下述正反馈过程（设此时触发器脉冲已消失）： 于是G₁门迅速截止，G₂门很快导通，最后使电路由暂稳态返回至稳态，v_O1=V_OH，v_O2=V_OL。
暂稳态结束后，电容将通过电阻R放电，使C上的电压恢复到稳定状态时的初始值。在整个过程中，电路各点工作波形如图2所示。
图2 微分型单稳态触发器各点工作波形
2、主要参数的计算
1. 输出脉冲宽度t_W　
输出脉冲宽度t_W，也就是暂稳态的维持时间，可以根据v_R的波形进行计算，为了计算方便，对图2的v_R的波形，将触发脉冲作用的起始时刻t₁作为时间起点，τ＝RC , 于是有
根据RC电路瞬态过程的分析，可得到：

vR(t)=vR(∞)+[vR(0+)-vR(∞)]e-t/τ

当t=t_W时，v_R(t_W)=V_th，代入上式可求得：
当V_th=V_DD/2，则t_W≈0.7RC
2. 恢复时间t_re
暂稳态结束后，还需要一段恢复时间，以便使电容C 在暂稳态期间所充的电荷释放完，使电路恢复到初始状态。一般要经过3τ_d(τ_d为放电时间常数)的时间，放电才基本结束，故t_re约为3τ_d 。
3. 最高工作频率f_max 　
设触发信号v₁的时间间隔为T，为了使单稳态电路能正常工作，应满足T>t_W+t_re的条件，即最小时间间 隔T_min=t_W+t_re。因此，单稳态触发器的最高工作频率为:
显然，上述关系是在作了某些近似之后得到的（例如,忽略了导通管的漏源电阻等。），因而只能作为选择参数的初步依据，准确的参数还要通过实验调整得到。
3、电路改进
1. 如图2所示，在暂稳态结束（t=t₂）瞬间，门G₂的输入电压v_R达到V_DD+V_th，这么高的输入电压可能损坏CMOS门。为了避免这种现象发生，在CMOS器件内部设有保护二极管D,如图1b中的虚线所示。在电容C充电期间，二极管D开路。而当t=t₂时，二极管D导通，于是v_R被钳制在V_DD+0.6V的电位上，（见2中的虚线所示）同时，在恢复期间，电容C 放电的时间常数τ_d=（R‖R_f)C(R_f为二极管D的正向电阻)，由于R_f<< R,因此电容放电的时间很短。
2. 当输入v_Ⅰ的脉冲宽度t_pi> t_W时，则在v_O2变为低电平后，G₁没有响应，不能形成前述的正反馈过程，使v_O2 的输出边沿变缓。因此，当输入脉冲宽度t_pi很宽时，可在单稳态触发器的输入端加入R_d、C_d组成的微分电路。同时为了改善输出波形，可在图1中G₂的输出端再加一级反相器G₃，如图3所示。

图3 宽脉冲触发的单稳电路

3. TTL与非门构成如图1(a)所示的单稳态电路时，由于TTL门存在输入电流，因此，为了保证单稳态时G₂的输入为低电平，电阻R 要小于0.7kΩ。如果输入端采用R_d、C_d 微分电路时，R_d的数值应大于2kΩ，使得稳态时v_D大于门G₁的开门电平（V_ON），而CMOS门由于不存在输入电流，故不受此限制。