工作良好的單穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)基于LVDS接收器

作者Email: whm@whm-assoc.com

當(dāng)存在大量的獨(dú)立供應(yīng)商時(shí)，設(shè)計(jì)工作良好的單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器比較容易，即使是設(shè)計(jì)由5V單電源供電的穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器也只算一個(gè)中等難度的挑戰(zhàn)。但設(shè)計(jì)工作在3.3V、性能良好的單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器則要困難一些。CMOS閾值的變化使它們無(wú)法精確定時(shí)；另外，有限的電壓“凈空”使得在單片集成電路元件的環(huán)境外部，設(shè)計(jì)一個(gè)好的基準(zhǔn)電壓和比較電路非常困難。

然而，新的器件使原有的工作可用于新環(huán)境中。這個(gè)單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器利用低電壓差分信號(hào)(LVDS)接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)采用其它方法難以實(shí)現(xiàn)的比較器功能。

圖1是單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器的基本電路，其中A1為LVDS接收器。負(fù)輸入脈沖使U1輸出下降，從而使Q1截止，并且由于C1通過(guò)R1放電，發(fā)射極的電壓下降。與此同時(shí)，R2和R3連接處的電壓階躍下降。

因?yàn)榇藭r(shí)的階躍電壓低于Q1的發(fā)射極電壓，所以A1通過(guò)U1保持輸出電壓，使其比輸入脈沖的上升沿滯后。當(dāng)Q1的發(fā)射極電壓下降到階躍波形的底部時(shí)，A1的輸出上升，輸出脈沖終止。如果R2和R3的分壓比大約為38%，則輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間約為R1C1。D1被用來(lái)補(bǔ)償Q1的VBE。C1的固定端可以接地，但這樣會(huì)導(dǎo)致大的瞬間復(fù)位電流流通過(guò)電源。

圖1：對(duì)采用慢速晶體管、輸出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的要求來(lái)說(shuō)，LVDS接收器(A1)可為3.3V系統(tǒng)產(chǎn)生性能良好的單穩(wěn)態(tài)電路。

圖1采用低速晶體管，可滿足輸出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的要求。然而，若要求輸出持續(xù)時(shí)間短，則需要改進(jìn)電路(如圖2所示)。持續(xù)時(shí)間短的輸出需要快速晶體管，其中許多快速晶體管都會(huì)振蕩，并且用封裝作為諧振腔，除非引入的損耗大小合適。

R1a穩(wěn)定Q1并限制復(fù)位電流，R2a則被加到R2中以對(duì)R1a的壓降進(jìn)行補(bǔ)償。由于大多數(shù)信號(hào)二極管不能很好地與高速晶體管匹配，所以用Q2代替D1。但Q2不能簡(jiǎn)單地接二極管，因而需要R4以防發(fā)生振蕩。將U1分成兩個(gè)與非門非常方便，它提供反相輸出，對(duì)穩(wěn)定Q2中的電流很有用。

理論上，這種電路的其它幾種配置也是可行的，但大多數(shù)LVDS接收器包括“自動(dòng)防故障(fail-safe)”功能，即在輸入和輸出之間有一個(gè)隱含的AND門。使該電路具有隱含的AND門功能，將消除許多可能有用的配置。

圖2：經(jīng)過(guò)改進(jìn)的電路可滿足輸出持續(xù)時(shí)間短的要求。

圖3是用于Spice仿真并已實(shí)現(xiàn)原型的實(shí)際原理圖。U1以前沒(méi)有被用到的部分，在輸入的上升沿產(chǎn)生短的輸入脈沖。R2a被并入R2，并增加C3以對(duì)寄生電容(CS)進(jìn)行補(bǔ)償。

使階躍的上升速度總是比斜坡復(fù)位快非常有必要，這樣可避免在比較器輸出的上升沿出現(xiàn)皺褶。C3的值約為11pF，實(shí)際值取決于設(shè)計(jì)。當(dāng)電容分壓比等于電阻分壓比時(shí)，階躍分壓器輸出的頂部將被削平，就像我們補(bǔ)償示波器探針時(shí)一樣。

R1a限制該單穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)無(wú)需改變脈沖寬度便可被重復(fù)觸發(fā)的速度。在原型中，可將R1a減少25%，而此時(shí)波形上的皺褶并不很嚴(yán)重。在Q1的端接上增加其它一些小電阻可進(jìn)一步減小R1a，從而最終縮短復(fù)位時(shí)間。

圖3：實(shí)際原型電路的原理圖，其輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間為93ns，并在25C至50C的溫度范圍內(nèi)無(wú)變化。

對(duì)原型進(jìn)行從25C至50C的溫度測(cè)試。在此范圍內(nèi)，100MHz的模擬示波器沒(méi)有出現(xiàn)脈沖寬度的變化，而1ns的變化對(duì)該示波器來(lái)說(shuō)非常明顯。在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，波形沒(méi)有發(fā)生變化。

輸出波形如同U1的管腳8、A1的管腳7、U1的管腳11或所有這些管腳上的波形一樣，提供輸出脈沖的兩個(gè)極性。

采用給出的值，該電路理論上能產(chǎn)生93ns的輸出脈沖寬度。時(shí)間常數(shù)等于R1C1，由于有源器件的傳輸延遲而有所增大，若持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，則延遲作用將被削弱。