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LTspiceでCMOSシュミットトリガ回路

コメント欄でのりたんさんに指摘されたとおり、内容がかなり怪しいのであとで直して差し替えます。
・・・おそらく今週中ぐらいには。ごめんなさい。
画像とシミュレーションファイルを差し替えました。

LTspiceでシュミットトリガ回路LTspiceで7414では、トランジスタを用いたシュミットトリガ回路のシミュレーションをしました。今回は、74HC14などに使われるMOSFETで構成されたシュミットトリガ回路の紹介・シミュレーション・消費電力の比較をしました。

CMOSシュミットトリガ回路スケマティック CMOSシュミットトリガ回路ヒステリシス特性


LTspiceでシュミットトリガ回路LTspiceで7414では、バイポーラトランジスタ(BJT)を用いたシュミットトリガ回路をシミュレーションしました。
一方で、現在の電子工作では74HC14などのCMOSで構成されたものを使う場合のほうが多いと思われます。CMOSでもBJTと同様に、電流と抵抗を使ったフィードバック回路を組んで、シュミットトリガを実現することは出来るでしょう。しかしながら、その場合はCMOSの特徴のひとつである低消費電力が活きません。そこで、実際の74HC14等のCMOSシュミットトリガ回路は、BJTシュミットトリガ回路とは異なった回路で実装されています。

○LTspiceシミュレーション
NXP Semiconductors - Standard ICs SPICE Modelsにて、74HC14を含むSPICEモデルのダウンロードが出来ます。テキストファイルなので接続関係が分かりにくいですが、ベルが鳴るさんの標準 CMOS ロジックのトランジスターモデルに回路図があります。今回はこの回路図を基にLTspiec標準のMOSFETモデルを用いたスケマティックでシミュレーションをします。

○ヒステリシス特性の確認
fig.1,fig.2にCMOSシュミットトリガ回路のスケマティックとシミュレーション結果のグラフを示します。


CMOSシュミットトリガ回路スケマティック
fig.1: CMOSシュミットトリガ回路のスケマティック

CMOSシュミットトリガ回路ヒステリシス特性
fig.2: シミュレーション結果、横軸が入力電圧、縦軸が出力電圧


ループからヒステリシス特性を確認できます。

○消費電力の確認
LTSpiceを用いてBJTシュミットトリガ回路の消費電力とCMOSシュミットトリガ回路の消費電力を比較しました。
fig.3,fig.4にBJTシュミットトリガ回路のスケマティックとシミュレーション結果です。シミュレーション自体は、LTspiceでシュミットトリガ回路のものです。


001_20090325074314.png
fig.3: BJTシュミットトリガ回路のスケマティック

BJTシュミットトリガ回路消費電力
fig.4: シミュレーション結果、青のラインが消費電力


次にCMOSシュミットトリガ回路の消費電力のシミュレーション結果です。


CMOSシュミットトリガ回路消費電力
fig.5: 青のラインがCMOSシュミットトリガ回路の消費電力


BJT版とCMOS版を比較するとCMOS版のほうが常に低消費電力であることが分かります。ピーク電力でもCMOSのほうが3桁程度小さく、静的消費電力ではCMOS版ではほぼゼロになるのに対してBJT版は2つのトランジスタの両方のコレクタ電流を同時になくすことが出来ません。

○関連エントリ


○参考URL


○付録
このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。



tag: LTspice FET シュミットトリガ 

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CMOSシュミットトリガ回路

M1とM3のバックゲートをVDDに、M5とM6のバックゲートをVSSにつないでください。なぜ、これらのノードが浮いているのに動作するのか不思議です。

V2の変化時間を長く、例えば現行0.5msecのところを100秒ぐらいにしてください。こうすると、伝播遅延の影響が少なくなって、よりDCシミュレーションに近くなります。

実際の回路では、各トランジスタのサイズによってスレシホルドや消費電力が決まってきます。

Re: CMOSシュミットトリガ回路

のりたんさん、コメントありがとうございます。本当に心強いです。

> M1とM3のバックゲートをVDDに、M5とM6のバックゲートをVSSにつないでください。なぜ、これ
> らのノードが浮いているのに動作するのか不思議です。
私が動作を理解してなかったのがバレバレでしたね。私もなぜこれで動作しているのか分からなかったのですが、バックゲートの電位が固定されているなら理解できそうです。
家に転がっていた実は出所のよく分からない回路図から起こしたのですが、その回路図がミスプリでした。めんどくさがらずに、ちゃんと原典を引かないとだめですね。

> V2の変化時間を長く、例えば現行0.5msecのところを100秒ぐらいにしてください。こうすると、
> 伝播遅延の影響が少なくなって、よりDCシミュレーションに近くなります。
将来的に発振回路(http://gomisai.blog75.fc2.com/blog-entry-363.html)から三角波を入れて実験しようかと思っていたのですが、やはりシミュレーションではゆっくりにしたほうがよかったですね。
それに、バックゲート付きで小信号用のコンプリメンタルなMOSFETの現物なんて私には探せそうにないですし。

> 実際の回路では、各トランジスタのサイズによってスレシホルドや消費電力が決まってきま
> す。
きっとそこら辺が半導体メーカーのノウハウになるんでしょうね。
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