工作良好的单稳态设计基于LVDS接收器

作者Email: whm@whm-assoc.com 当存在大量的独立供应商时，设计工作良好的单稳态多频振荡器比较容易，即使是设计由5V单电源供电的稳态多频振荡器也只算一个中等难度的挑战。但设计工作在3.3V、性能良好的单稳态多频振荡器则要困难一些。CMOS阈值的变化使它们无法精确定时；另外，有限的电压“净空”使得在单片集成电路元件的环境外部，设计一个好的基准电压和比较电路非常困难。 然而，新的器件使原有的工作可用于新环境中。这个单稳态多频振荡器利用低电压差分信号(LVDS)接收器来实现采用其它方法难以实现的比较器功能。 图1是单稳态多频振荡器的基本电路，其中A1为LVDS接收器。负输入脉冲使U1输出下降，从而使Q1截止，并且由于C1通过R1放电，发射极的电压下降。与此同时，R2和R3连接处的电压阶跃下降。 因为此时的阶跃电压低于Q1的发射极电压，所以A1通过U1保持输出电压，使其比输入脉冲的上升沿滞后。当Q1的发射极电压下降到阶跃波形的底部时，A1的输出上升，输出脉冲终止。如果R2和R3的分压比大约为38%，则输出脉冲的持续时间约为R1%26;#215;C1。D1被用来补偿Q1的VBE。C1的固定端可以接地，但这样会导致大的瞬间复位电流流通过电源。 图1：对采用慢速晶体管、输出持续时间长的要求来说，LVDS接收器(A1)可为3.3V系统产生性能良好的单稳态电路。 图1采用低速晶体管，可满足输出持续时间长的要求。然而，若要求输出持续时间短，则需要改进电路(如图2所示)。持续时间短的输出需要快速晶体管，其中许多快速晶体管都会振荡，并且用封装作为谐振腔，除非引入的损耗大小合适。 R1a稳定Q1并限制复位电流，R2a则被加到R2中以对R1a的压降进行补偿。由于大多数信号二极管不能很好地与高速晶体管匹配，所以用Q2代替D1。但Q2不能简单地接二极管，因而需要R4以防发生振荡。将U1分成两个与非门非常方便，它提供反相输出，对稳定Q2中的电流很有用。 理论上，这种电路的其它几种配置也是可行的，但大多数LVDS接收器包括“自动防故障(fail-safe)”功能，即在输入和输出之间有一个隐含的AND门。使该电路具有隐含的AND门功能，将消除许多可能有用的配置。 图2：经过改进的电路可满足输出持续时间短的要求。 图3是用于Spice仿真并已实现原型的实际原理图。U1以前没有被用到的部分，在输入的上升沿产生短的输入脉冲。R2a被并入R2，并增加C3以对寄生电容(CS)进行补偿。 使阶跃的上升速度总是比斜坡复位快非常有必要，这样可避免在比较器输出的上升沿出现皱褶。C3的值约为11pF，实际值取决于设计。当电容分压比等于电阻分压比时，阶跃分压器输出的顶部将被削平，就像我们补偿示波器探针时一样。 R1a限制该单稳态设计无需改变脉冲宽度便可被重复触发的速度。在原型中，可将R1a减少25%，而此时波形上的皱褶并不很严重。在Q1的端接上增加其它一些小电阻可进一步减小R1a，从而最终缩短复位时间。 图3：实际原型电路的原理图，其输出脉冲的持续时间为93ns，并在25%26;#176;C至50%26;#176;C的温度范围内无变化。 对原型进行从25%26;#176;C 至 50%26;#176;C的温度测试。在此范围内，100MHz的模拟示波器没有出现脉冲宽度的变化，而1ns的变化对该示波器来说非常明显。在测试温度范围内，波形没有发生变化。 输出波形如同U1的管脚8、A1的管脚7、U1的管脚11或所有这些管脚上的波形一样，提供输出脉冲的两个极性。 采用给出的值，该电路理论上能产生93ns的输出脉冲宽度。时间常数等于R1%26;#215;C1，由于有源器件的传输延迟而有所增大，若持续时间更长，则延迟作用将被削弱。