TTL、CMOS及施密特触发器

周 江

（成都职业技术学院，四川 成都 610041）

TTL、CMOS及施密特触发器

周 江

（成都职业技术学院，四川 成都 610041）

单稳态电路是电子设计中的一个常用电路。文章以一个简单的单稳态电路为例，将TTL、CMOS和施密特触发器在相同的电路中的不同的作用展示出来，能够很直观地理解和掌握TTL、CMOS和施密特触发器的特点和用途。四个电路均在Proteus中仿真和实际电路中验证，两者结果一致。

TTL；CMOS；施密特触发器

1 引言

在一般的教学过程中，老师会告诉学生，TTL（Transister -Transister-Logic）是晶体管-晶体管逻辑的英文缩写，它采用双极型工艺制造，具有高速度、低功耗等特点；CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）的意思是互补型的金属-氧化物-半导体结构的电路，它具有低功耗、宽工作电压范围、高输入阻抗等特点；施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持，对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压（摘自百度百科）。

这些无疑都是完全正确的，但对高职的大部分学生来讲，这些描述显得比较空，并不能真正理解这几类电路的特点和用途。

本文试图从一个简单的单稳态电路入手，将TTL、CMOS和施密特触发器在电路中的作用展示出来，通过演示它们在一个相同的电路中的不一样的作用，让学生真真切切地看到它们各自不同的本质特点。

单稳态电路是电路设计中的一个常用电路，一般会使用专门的单稳态芯片，比如74LS123等，或用555电路来实现。上升沿触发、产生正脉冲的单稳态电路的输入、输出波形如图1所示（上面为输入波形、下面为输出波形。下同）。

图1　单稳态电路的输入、输出波形图

这里为了演示TTL、CMOS及施密特电路的特点，用电容充放电电路加各类反相器的方式来实现。

图2是一个RC充放电的电路图，其输入、输出波形图（Proteus仿真图）见图3。输入为1Hz的方波。

图2　RC充放电电路图

图3　RC充放电电路的输入、输出波形图

显然该电路的输出波形与单稳态电路的输出波形不一样，要得到图1的波形，还需要对RC充放电电路的输出进行整形，可以使用TTL、CMOS及带施密特触发器的反相器来实现。

2 用TTL非施密特反相器整形

使用两级TTL反相器74LS04整形，电路图和输入、输出波形图（实测波形，示波器型号：优利德UTD2102CEX。下同。）分别如图4、图5和图6所示。这里使用两级反相器的目的，是为了保持输入、输出的相位一致，方便理解。

图4　两级TTL反相器74LS04整形电路图

图5　两级TTL反相器74LS04整形后的输入、输出波形图

图6　展开后的图5波形

从图5、图6中可以看出两个问题：第一，输出是负脉冲，不是正脉冲；第二，输出的波形不是规则的矩形波，尤其是输出波形的上升沿，甚至对输入波形也产生了影响。

先分析第一个问题。TTL反相器74LS04的内部电路如图7所示。

图7　TTL反相器74LS04的内部电路

将图4、图7合在一起看，可以知道，由于U1:A 1脚的下拉电阻R1是100K，所以该引脚上的电压为（5V - Q1的VCE）*100K/（100K+4K），基本上就是+5V，所以当电容端的输入为高电平时，电容几乎没有充放电的情况（电容两端电压基本相等），U1:B的 4脚输出为高电平。而当电容端的输入为低电平时，U1:A的1脚对电容充电（从右向左），由于电容上电压不能突变，在电容端的输入刚为低电平时，U1:A的 1脚也是低电平，之后随着电容上电压的增加，该引脚的电压逐渐达到接近+5V，所以在U1:B的4脚输出的就是负脉冲了。

而第二个问题的原因，从上面的分析可以知道，在输入的下降沿到来时，U1:A的1脚是从0V逐渐上升到接近+5V的，反相器的输入电压出现了它判断高、低门限之间的电压（一般输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V），其内部的三极管没有工作在截止或饱和导通区，而是工作在放大区，所以出现了既非高电平、也非低电平的电压，使输出波形失真。

出现这种情况，就应该考虑使用有波形整形功能的施密特触发器了。

3 用带施密特触发器的TTL反相器整形

使用两级TTL反相器74LS14（带施密特触发器）整形，电路图和输入、输出波形图分别如图8、图9所示。

图8　两级带施密特触发器的TTL反相器74LS14整形电路图

图9　两级带施密特触发器的TTL反相器74LS14整形后的输入、输出波形图

从图中可以看出，输出波形是比较规则的矩形波，前面的第二个问题已经解决，从这个例子中可以看出施密特触发器的作用。而第一个问题依然存在，输出的仍然是负脉冲，原因在前面已经分析。

4 用CMOS非施密特反相器整形

使用两级CMOS反相器74HC04（或4000系列的4069）整形，电路图和输入、输出波形图如图11、图12所示。

图10　两级CMOS反相器74HC04整形电路图

图11　两级CMOS反相器74HC04整形的输入、输出波形图

图12　展开后的图11波形

图11、图12的波形与图4、图5相比，有两处明显的不同：一是输出由负脉冲变成正脉冲了；二是脉冲的宽度明显加大了。

图10中的反相器使用的是CMOS器件，其输入阻抗很高，一般能达到108Ω数量级，U1:A 1脚的下拉电阻R1仍然是100K，所以1脚的电位是低电平。当电容端的输入为高电平时，对电容充电（从左向右），由于电容上电压不能突变，在上电的瞬间相当于短路，所以电容端的输入刚为高电平时，U1:A的1脚也是高电平，之后随着电容上电压的增加，该引脚的电压逐渐下降，最终达到0V，这样在U1:B的4脚输出的就是正脉冲了。

至于脉冲宽度的问题，图 4中的电路，充电电阻基本上就是4K（Rb1，参考图7），而在图10的电路中，充电电阻是100K（R1），所以充电时间更长，脉冲宽度也就更宽了。

图10与图4的电路一样，输出的波形也不是规则的矩形波，其原因与前面的分析类似。

5 用带施密特触发器的 CMOS反相器整形

使用两级CMOS反相器74HC14（带施密特触发器）整形，电路图和输入、输出波形如图13、图14所示。

图13　两级带施密特触发器的CMOS反相器74HC14整形的电路图

图14　两级带施密特触发器的CMOS反相器74HC14整形的输入、输出波形图

从图14可以看出，输出的波形已经与图1一致了。

6 结论

从前面的四个实验可以看出，完全相同的电路，由于使用的器件类型不同，却得到了不同的结果。

对于脉冲电路的整形，使用带施密特触发器的门电路效果要比普通的门电路好得多。用带施密特触发器的TTL门电路整形，由于其输入悬空时是高电平，所以电路会在输入的下降沿触发，产生负脉冲；TTL的输入阻抗较低，所以在相同的电路参数下，其输出的脉冲宽度相对较窄。而使用带施密特触发器的COMS门电路整形，由于其输入阻抗较高，没有信号输入时，其输入引脚的电平由其外接的下拉电阻决定，是低电平，所以电路会在输入的上升沿触发，产生正脉冲，且其输出的脉冲宽度相对较宽。

用理论教学的方式讲 TTL、COMS、施密特触发器，学生可能就只学到了一些概念性的东西，而用本文所述的例子教学生，学生能看到实际的不同点，对TTL较低的输入阻抗、COMS的高输入阻抗和施密特触发器对波形的整形等应该有更深刻的理解和掌握。

[1] Texas Instruments Incorporated.Hex Inverters[EB/OL]. (2004-01-01)[2016-08-15].http://www.ti.com/lit/ds/symlink /sn74ls04.pdf.

[2] Texas Instruments Incorporated.HEX SCHMITT-TRIGGER INVERTERS[EB/OL].(2002-02-01)[2016-08-15].http://ww w.ti.com/lit/ds/symlink/sn74ls14.pdf.

[3] Texas Instruments Incorporated.SNx4HC04 Hex Inverters[EB/OL]. (2015-09-01)[2016-08-15].http://www.ti.com/lit/ds/symlink /sn74hc04.pdf.

[4] Texas Instruments Incorporated.SNx4HC14 Hex Schmitt-Trigger Inverters[EB/OL].(2016-02-01)[2016-08-15].http://www.ti. com/lit/ds/symlink/sn74hc14.pdf.

TTL、CMOS and Schmitt trigger

The monostable circuit is a common circuit in the electronic design. In this paper, using a simple monostable circuit, display the TTL, CMOS and Schmitt trigger different functions in a same circuit, this can be very intuitive to understand and grasp the characteristics and uses of TTL, CMOS and Schmitt trigger. Four circuits are simulated in Proteus and the actual circuit is verified. The results are consistent.

TTL; CMOS; Schmitt trigger

TN710

A

1008-1151(2016)09-0040-03

2016-08-10

周江（1966－），男，四川成都人，成都职业技术学院软件分院副教授/工程师，硕士研究生，研究方向为电子电路设计、单片机应用。