Comparadores con Histéresis

Fundamentos de diseño microelectrónico

Lección 6

6.1 Introducción Esta lección describe algunos circuitos CMOS destinados a comparar señales respecto a una referencia o a generar señales digitales. Estos son circuitos digitales complementarios a los descritos en las prácticas de laboratorio de esta asignatura, y comprenden puertas digitales, comparadores con un umbral, biestables y fuentes de corriente. Los comparadores son unos circuitos muy utilizados en aplicaciones de generación de señal y restauración de niveles, así como piezas básicas para construir generadores de señal digitales. En numerosas ocasiones es imprescindible disponer de circuitos comparadores con dos umbrales, que son denominados comparadores con histéresis o trigger de Schmitt. La primera parte de esta lección describe dos de estos comparadores. La segunda parte de la lección describe osciladores digitales, concretamente los osciladores acoplados por surtidor y los osciladores de anillo, que junto con el oscilador de las prácticas de laboratorio son una muestra relevante de las distintas maneras posibles de realizar un oscilador digital.

6.2 Comparadores con histéresis Los circuitos comparadores con histéresis, también denominados trigger de Schmitt, presentan una característica entrada-salida que depende del sentido de variación de la señal de entrada. Su símbolo y la característica entrada-salida ideal de un comparador de este tipo son los siguientes: VO

VL

VH

VI

Figura 6.1. Símbolo y característica entrada-salida de un comparador con histéresis Como se puede ver en la figura, si la tensión de entrada (V I) empieza a crecer desde un valor igual a cero, la salida (VO) se mantiene a un nivel alto hasta que la entrada alcanza un valor VH. Si se recorre el camino en sentido contrario, es decir, desde un valor alto se va disminuyendo la tensión, la salida se mantiene a un nivel bajo mientras la entrada sea superior a VL. Esta diferencia entre los umbrales de comparación para los que se produce un cambio brusco de la señal de salida se llama histéresis. Los circuitos comparadores con histéresis se pueden obtener de diversas formas. A modo de ejemplo y para ilustrar el comportamiento de este tipo de circuitos, se propone el circuito de la figura 6.2. El circuito está formado por un conjunto de cuatro transistores (dos transistores NMOS y dos transistores PMOS) conectados entre la alimentación y masa (M1, M2, M4 y M5) y con una realimentación doble de la salida mediante los transistores M3 y M6.

L. Castañer, V. Jiménez, D. Bardés

6.2

Fundamentos de diseño microelectrónico

Lección 6 Vdd M5 M6 M4 VI

VO M2

VDD M3

M1

Figura 6.2. Circuito CMOS comparador de histéresis La característica entrada-salida de este circuito es del mismo tipo que la mostrada en la figura 6.1 idealmente. Para comprobarlo, se proponen los siguientes ejercicios.

Ejercicio 6.1 Escribir el archivo SPICE que represente el circuito de la figura 6.2 con transistores de tamaño (W/L) N=10/2 y (W/L)P=20/2. Incluir las instrucciones que permitan simular la respuesta del circuito correspondiente a una señal triangular de entrada de periodo 20µs. Simular el circuito y obtener la señal de salida.

Solución A continuación se muestra el netlist para simular el circuito de la figura 6.2: Comparador con histéresis * Modelos de los dispositivos .include model * Descripción del circuito M1 3 1 0 0 nfet w=10u l=2u M3 10 2 3 0 nfet w=10u l=2u M2 2 1 3 0 nfet w=10u l=2u M4 2 1 4 10 pfet w=20u l=2u M5 4 1 10 10 pfet w=20u l=2u M6 0 2 4 10 pfet w=20u l=2u * Fuentes de polarización y Simulaciones a realizar vin 1 0 0 pulse(0 5 0 10u 10u 0.001u 20u) vdd 10 0 dc 5 .tran 0.1u 20u .dc vin 0 5 0.01 .dc vin 5 0 -0.01 * Líneas de control para ejecución automática .control run plot tran1.v(1) tran1.v(2) plot dc1.v(2) dc2.v(2) .endc .end

L. Castañer, V. Jiménez, D. Bardés

6.3