其實(shí)像這些基本的電路、比如D觸發(fā)器、Schmitt Trigger，MUX等這些電路在PDK中很多工藝都是有的，但是很多情況下我們需要自己設(shè)計(jì)有某些功能的電路，所以庫里的單元就不合適了。

比如D觸發(fā)器，這個是大學(xué)數(shù)電里面再基礎(chǔ)不過的電路，讓你不看書自己搭一個D觸發(fā)器，相信很多同學(xué)也是做不到的，這個需要慢慢磨練。D觸發(fā)器雖然算是數(shù)字電路，但是在我們模擬IC工程師做電路來說，D觸發(fā)器是經(jīng)常使用的。

對于施密特觸發(fā)器，在模擬IC也是有很多應(yīng)用，我在工作中就用到了，也做了很多仿真。今天來給大家從晶體管級詳細(xì)分析一下施密特觸發(fā)器，以后你們用到了可以來我這里看看。

在數(shù)電一書中，施密特觸發(fā)器歸為脈沖整形電路，當(dāng)施密特觸發(fā)器用作脈沖整形的時候，一般是在有振蕩波形的電路中，當(dāng)輸出振蕩波形有噪聲的時候，施密特觸發(fā)器最重要的特點(diǎn)是能夠把變化緩慢的輸入信號整形成邊沿陡峭的矩形脈沖。同時，施密特觸發(fā)器還可利用其回差電壓來提高電路的抗干擾能力。

Schmitt Trigger和反相器很大的區(qū)別就是Schmitt Trigger的上升和下降的翻轉(zhuǎn)閾值不同，有遲滯，雖然反相器精心設(shè)計(jì)尺寸也可以有遲滯，但是效果沒有Schmitt Trigger好。遲滯的一個很大好處就是，輸入的噪聲如果在遲滯區(qū)間內(nèi)，那么輸出就不會翻轉(zhuǎn)。

比如，一般比較器只有一個作比較的臨界電壓，若輸入端有噪聲來回多次穿越臨界電壓時，輸出端即受到干擾，其正負(fù)狀態(tài)產(chǎn)生不正常轉(zhuǎn)換，如下圖。

如果換做施密特觸發(fā)器，由于施密特觸發(fā)器的遲滯特性，只要噪聲的大小在兩個臨界電壓（上臨界電壓及下臨界電壓）形成的滯后電壓范圍內(nèi)，即可避免噪聲誤觸發(fā)電路。

現(xiàn)在我們以常用的施密特觸發(fā)器晶體管級電路為例，說明施密特觸發(fā)器的工作原理，以及管子的尺寸選取依據(jù)，遲滯是如何形成，正反饋怎么形成的。

這是常用施密特觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，我們組的電路也是采用這種結(jié)構(gòu)的Schmitt Trigger。遲滯就是利用M6和M3來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸出是高電平時，M3導(dǎo)通，M4和M5導(dǎo)通，M6截止，提供了一個VDD到輸出端的通路；當(dāng)輸出是低電平時，M6導(dǎo)通，M1和M2導(dǎo)通，M3截止，提供了一個輸出端到地的通路。

施密特觸發(fā)器有兩個翻轉(zhuǎn)閾值，輸入由低電平升到高電平，輸出由高電平到低電平轉(zhuǎn)換，這個閾值叫做正翻轉(zhuǎn)閾值VT+，輸入由高電平升到低電平，輸出由低電平到高電平轉(zhuǎn)換，這個閾值叫做負(fù)翻轉(zhuǎn)閾值VT-，二者的差值就是滯回區(qū)間。

首先分析輸入進(jìn)行正轉(zhuǎn)換的過程。當(dāng)輸入是0，輸出是高電平時，M1和M2截止，M3導(dǎo)通，A點(diǎn)電壓大小是M3的源端電壓，即VA=VDD-Vth3。當(dāng)輸入Vin由0到VDD增大，在Vin小于M1的閾值電壓Vth1之前，VA一直是VDD-Vth3，當(dāng)Vin增加到大于Vth1，M1導(dǎo)通，A點(diǎn)電壓由于M1的導(dǎo)通開始降低，由于M2的源端即A點(diǎn)電壓不是0V，所以M2后于M1導(dǎo)通，這也是遲滯的來源。

當(dāng)Vin增大直到Vin-VA=Vth2時，M2導(dǎo)通，一旦M2導(dǎo)通，輸出就開始下降，使得M3慢慢關(guān)斷，使得A點(diǎn)進(jìn)一步下降，A點(diǎn)電壓下降，同時輸入Vin增大，使得M2導(dǎo)通的更快，輸出下降的更快，使得M3管關(guān)斷的更快，最后M1和M2完全導(dǎo)通，這就是一個正反饋過程，圖中紅圈部分。

定義M2管開始導(dǎo)通的Vin為正翻轉(zhuǎn)電壓VT+：

當(dāng)M2導(dǎo)通的瞬間，M1和M3的電流相等，得到：

有同學(xué)好奇，你怎么知道M1和M3是飽和區(qū)電流而不是線性區(qū)，當(dāng)Vin由0增大，M1導(dǎo)通后肯定是先進(jìn)入飽和區(qū)再是線性區(qū)，M3由于漏端是VDD，肯定是飽和區(qū)的。

由于M2和M3的源端短接，M2和M3的體端都是地，因此Vth2=Vth3，將（1）代入（2）式，得到：

由于M1的源端和體端短接，因此M1沒有體效應(yīng)，M2和M3是有體效應(yīng)的，所以Vth1小于Vth2和Vth3.

按照自己設(shè)計(jì)指標(biāo)給定一個VT+，通過（3）得到M1和M3的尺寸比例，M2的尺寸要比M1和M3的尺寸大一些，因?yàn)镸2是當(dāng)作一個開關(guān)來用，我們希望它在正反饋環(huán)路中速度快一些，有利于正反饋。

尺寸比例得到了，至于W和L取多大，要看電路的指標(biāo)要求了。對于低頻電路，L不需要特別小。對于低功耗電路，W/L不能太大，不然功耗很大。

然后同理分析輸入進(jìn)行負(fù)轉(zhuǎn)換的過程。當(dāng)輸入是高電平，輸出是低電平時，M4和M5截止，M6導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓大小是M6的源端電壓，即VB=|Vth6|。當(dāng)輸入Vin由VDD到0增大，在VDD-Vin小于M5的閾值電壓|Vth5|之前，VB一直是|Vth6|，當(dāng)Vin減小VDD-Vin大于|Vth5|時，M5導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓由于M5的導(dǎo)通開始升高，由于M4的源端即B點(diǎn)電壓不是VDD而是小于VDD，所以M4后于M5導(dǎo)通，這也是遲滯的來源。

當(dāng)Vin減小直到VB-Vin=|Vth4|時，M4導(dǎo)通，一旦M4導(dǎo)通，輸出就開始升高，使得M6慢慢關(guān)斷，使得B點(diǎn)進(jìn)一步升高，B點(diǎn)電壓升高，同時輸入Vin減小，使得M4導(dǎo)通的更快，輸出升高的更快，使得M6管關(guān)斷的更快，最后M4和M5完全導(dǎo)通，這就是一個正反饋過程，圖中紅圈部分。

定義M4管開始導(dǎo)通的Vin為負(fù)翻轉(zhuǎn)電壓VT-：

當(dāng)M4導(dǎo)通的瞬間，M5和M6的電流相等，得到：

加入M4、M5和M6的體端都接VDD，M4和M6的源端短接，那么M4和M6體效應(yīng)相等，故|Vth6|=|Vth4|，將（4）代入（5）式，得到：

按照自己設(shè)計(jì)指標(biāo)給定一個VT-，通過（6）得到M5和M6的尺寸比例，M4的尺寸要比M5和M6的尺寸大一些，因?yàn)镸4是當(dāng)作一個開關(guān)來用，我們希望它在正反饋環(huán)路中速度快一些，有利于正反饋。

以上就完整說明了正負(fù)翻轉(zhuǎn)閾值電壓的設(shè)計(jì)原理以及各個管子的尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)，根據(jù)電路要求自己給定VT+和VT-來設(shè)計(jì)管子尺寸，通過改變管子尺寸來得到不同的VT+和VT-。