基于CMOS反相器的脉冲窗口比较器

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

窗口比较器，又称为双限比较器，具有两个门限电平，可以检测输入模拟信号的电平是否处在给定的两个门限电平之间。在元件选择与分类，或对生产现场进行监视与控制时，窗口比较器是很有用的。

这两个门限电平有时也称为两个阈值电压，是指输入电压从大变小或从小变大过程中使输出电压产生两次跃变。例如，某窗口比较器的两个阈值电压UT1小于UT2，且均大于零，输入电压从零开始增大，当经过UT1时，输出电压从高电平UOH跃变为低电平UOL；输入电压继续增大，当经过UT2时，输出电压又从低电平UOL跃变为高电平UOH，其电压传输特性犹如中间开了个窗口，故此得名。窗口比较器输入电压向单一方向变化过程中，输出电压跃变两次[1]。

设计一种新颖的脉冲窗口比较器，其比传统的窗口比较器电路结构更简洁，可以同时输出幅值相等、极性相反的两组脉冲窗口信号。

1 传统窗口比较器

传统窗口比较器一般由两个集成运放分别处于开环工作状态，每个运放组成一个单限比较器，图1(a)为一种比较典型的窗口比较器，外加参考电压URH>URL，电阻R1、R2和稳压管DZ构成限幅电路。

图1 传统窗口比较器及其电压传输特性

当输入电压ui大于URH时，必然大于URL，所以集成运放A1的输出uo1=+UOM，A2的输出uo2=-UOM，使得二极管D1导通，D2截止，电流通路如图中实线所标注，稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压uo=+UZ。

当ui小于URL时，必然小于URH，所以A1的输出uo1=-UOM，A2的输出uo2=+UOM，因此D2导通，D1截止，电流通路如图中虚线所标注，DZ工作在稳压状态，输出电压uo仍为+UZ。

当URL

URH和URL分别为比较器的两个阈值电压，令URH和URL均大于零，则图1(a)所示电路的电压传输特性如图1(b)所示。

2 基于CMOS反相器的脉冲窗口比较器

传统窗口比较器实际上是用两个单限比较器实现了输入电压与两个阈值电压的比较，是一种比较典型的电路结构，但图1所示的传统窗口比较器同时只能输出一个极性的脉冲，设计一个基于CMOS反相器的脉冲窗口比较器电路，这种电路结构可以同时输出两个极性的脉冲，且两种脉冲极性恰好相反，电气原理如图2所示。

图2 基于CMOS反相器的脉冲窗口比较器

可以看到，这种基于反相器的窗口比较器只用了三个CMOS反相器、二个电阻、二个预置电位器和一个开关二极管，分为输入信号电路、下阈值电压产生电路、上阈值电压产生电路、正极性脉冲输出电路、负极性脉冲输出电路等，该设计没有采用传统窗口比较器的设计方案：利用两个单限比较器来产生“窗口”信号，而是直接利用CMOS反相器本身的阈值电压来实现输出信号的反转，详细描述如下。

输入信号从电位器P1进入该脉冲窗口比较器，窗口比较器的两个阈值电压可用预置电位器P1、P2来调整，输入信号下阈值电压UL产生电路由电位器P1和电阻R1组成；上阈值电压UH产生电路由电位器P1、P2、电阻R2、反相器N1组成，这样脉冲窗口宽度为UH--UL。

图3描绘了基于CMOS反相器的脉冲窗口比较器的功能，电路供电为10V。在脉冲窗口比较器输入端加上一个三角形电压uI，在图2所示电路的X点就有图3所示输出脉冲电压。图3横轴为时间t，纵轴为电压信号，包括脉冲窗口比较器输入信号和输出信号，其中虚线为三角形输入电压，实线为输出脉冲信号。

图3 基于CMOS反相器的脉冲窗口比较器电压传输特性

这里首先要明白CMOS反相器的阈值电压与窗口比较器的上、下阈值电压的含义是不同的，CMOS反相器的阈值电压是反相器输出反转时的反相器输入电压值，窗口比较器的上、下阈值电压是描述图1所示窗口电路的传输特性。

CMOS反相器的阈值电压通常为供电电压的一半，但可能有30%的误差，图4为CMOS反相器电压传输特性示意图，其中1/2VDD即为CMOS反相器的阈值电压VTH[2]。

图4 CMOS反相器电压传输特性

总之，基于CMOS反相器的脉冲窗口比较器的上限UH阈值由电位器P2决定，下限UL阈值由电位器P1决定，在图3所示的基于CMOS的窗口比较器的电压传输特性曲线中可以发现，输入曲线uI的上升沿的两个阈值(下限阈值4.8V、上限阈值8.4V)与下降沿的两个阈值(上限阈值7.2V、下限阈值4V)是不一样的，后者低于前者，这是由于上升沿阈值与下降沿阈值是由不同的电位器P1、P2参数造成的，目的是为了体现电位器P1、P2的作用而特意设计，故图3所示的上升沿形成的脉冲窗口与下降沿形成的脉冲窗口是由不同的电气参数或在不同电路条件下形成的[3]。

输入信号Ui从零开始逐渐升高，通过观察图2所示组成上、下阈值电压电路可以发现，上阈值电压UH是否触发的关键是反相器N1是否被触发，实际上N1能否被触发不单决定于P2，而是由P1、P2共同决定。

如果窗口比较器输入电压Ui超过P1设定的下限阈值UL，反相器N2、N3连续被触发(反相器N1由于P2、R2的存在，达不到触发条件)，则比较器输出点X的电压变为逻辑“1”。若输入电压Ui达到P2所设定的上限阈值UH，输入电压Ui虽然有触发N2、N3的条件，但由于这时反相器N1被触发，N1输出低电平“0”，开关二极管D1导通，反相器N2输入端电压被箝位在0.7V左右，故X点输出点的电压又变为逻辑“0”。

直至输入电压Ui下降沿降到上限阈值UH(注意这时由于电气参数的改变，上限阈值与下限阈值俱已改变)以下，反相器N1输出反转为高电平，N2输入端仍为高电平，故输出点X又返回到逻辑“1”，一直保持该状态，只要输入电压Ui一达到下限阈值UL，N2输入端变为低电平、输出反转，输出点X回到逻辑“0”[4]。

由于Y点信号从反相器N2输出，故Y点信号与X点信号极性刚好相反，幅值相同，X、Y点波形如图5所示。

图5 脉冲窗口比较器输出信号波形对比图

3 结语

该设计方案简单、新颖，当然该电路的简单性意味着对性能质量要求做出了一些让步，所以对上升时间和衰减时间都短的高频输入信号，不能满意地进行处理，然而，本设计为常用的脉冲窗口比较器提供了一个廉价而又简单的方法。