施密特觸發(fā)器RC振蕩器的優(yōu)缺點

本文討論了施密特觸發(fā)器RC振蕩器的優(yōu)缺點。這些振蕩器特別重要，因為它們存在于許多流行 MCU 的內(nèi)部振蕩器中。

在上一篇文章 “施密特觸發(fā)器振蕩器的工作原理”中，我們回顧了基本 RC 施密特觸發(fā)器振蕩器的原理圖，并推導(dǎo)出了周期和頻率的一般方程。

圖 1. RC 施密特觸發(fā)振蕩器

這些方程假設(shè)了很多方便的參數(shù)值，它們并不完全準(zhǔn)確。例如，高輸出電壓不一定是電源電壓。施密特觸發(fā)器閾值電壓值可能因制造商而異。因此，在設(shè)計 RC 振蕩器時總是需要考慮額外的因素。

4093B CMOS集成電路

另一種流行的選擇是 4093B CMOS 集成電路，它的閾值電壓更接近所需的對稱閾值配置。圖 3 顯示了 4093B 的相同圖形情況：

因為 4093B 是一個雙輸入 NAND，所以當(dāng)另一個輸入為高電平時，它可以作為原始反相器。這使電路具有使能輸入線的特性。每當(dāng)這條使能線為高電平時，電路將輸出時鐘信號，如果不是，則輸出一個固定的高電平值。

圖 4.帶有 4093B CMOS 四與非集成電路的 RC 振蕩器。

在圖 4 中，額外的輸入用作啟用線。請注意，輸出中的空閑狀態(tài)為高。

TTL 與 CMOS

使用 4093B IC 而不是 74LS14 的另一個原因是它們的實現(xiàn)技術(shù)。TTL 門由 BJT 制成，盡管 LS 系列中使用的變體旨在實現(xiàn)低功耗，但它們的輸入阻抗并不是很好。這些門可以具有高達(dá) 1mA 和低至 0.1mA 的輸入電流。

另一方面，CMOS 門由 MOSFET 制成，具有極高的輸入阻抗——總是高于 1000 萬美元。這導(dǎo)致輸入電流始終低于 100nA。10米Ω10MΩ。 這導(dǎo)致輸入電流始終低于 100nA。

這個參數(shù)（輸入阻抗）的問題在于它會影響串聯(lián)模型對 RC 充電/放電電路的準(zhǔn)確度。具有較低的輸入阻抗會對 RC 電路產(chǎn)生更明顯的負(fù)載效應(yīng)，并且更合適的模型必須考慮到較低的輸入阻抗。

將 TTL IC 用于 RC 振蕩器的一個含義是R的值被限制為較小的值，通常低于 $$2k\Omega$$。這迫使設(shè)計人員使用更大的電容器來實現(xiàn)更低的頻率。2?Ω2kΩ。 這迫使設(shè)計人員使用更大的電容器來實現(xiàn)更低的頻率。

在任何情況下，CMOS 門都不存在這個問題。

輸出幾乎不會是矩形的

原始振蕩器產(chǎn)生的輸出電壓并不完全是矩形波。在低和高狀態(tài)下可見的斜率是反饋回路的模擬性質(zhì)的影響。

請記住，電容器從柵極的高電平輸出汲取電流，并為柵極的低電平輸出提供電流。斜率的原因是柵極的輸出阻抗。

邏輯門通常應(yīng)該將其輸出提供給數(shù)字輸入，而不是提供給耗電元件，因此這些設(shè)備中的輸出阻抗并不是那么低。因此，在輸出引腳上測得的電壓是預(yù)期輸出減去串聯(lián)戴維南輸出電阻中的電壓降。該電阻器的電壓與正在變化的電流成正比。圖 5 顯示了這種情況。

圖 5.相當(dāng)大的輸出電阻的影響。

上圖中的門被建模為一個串聯(lián)電阻的方波發(fā)生器，顯示在陰影區(qū)域內(nèi)。理想的輸出信號 （Vout） 在發(fā)生器的輸出端測量，在輸出電阻器的壓降之前，它在圖中顯示為紅色。輸出引腳 （Vpin） 中的實際電壓在圖中顯示為藍(lán)色。請注意理想的矩形信號（紅色）在高電平和低電平（藍(lán)色）中是如何變形的。

輸出電阻帶來的問題是雙重的：一是影響充放電次數(shù)，二是輸出信號不是矩形的。

詳述第一個問題，輸出電阻導(dǎo)致輸出引腳電壓具有較低 的高電平電壓和較高 的低電平電壓。這意味著充電和放電方程畢竟不會很準(zhǔn)確，因為電壓差實際上會更小。解決這種不準(zhǔn)確性的一個簡單方法是從數(shù)據(jù)表中了解輸出電阻的值并將其添加到 R 的值中。

RC→（R○你噸+R）×CRC→（Rout+R）×C至于第二個問題，具有非矩形信號對于數(shù)字輸入通常并不壞。但是，將其他任何東西連接到輸出都會對振蕩器的行為產(chǎn)生影響，因為輸出將被進(jìn)一步加載。一個好的做法是將振蕩部分留給自己，并使用集成電路中剩余的門之一重新生成該信號。這樣做主要是為了為應(yīng)該使用它的任何數(shù)字電路重新生成輸出信號。

在 NAND 振蕩器的情況下，第二個反相器級也將使“空閑”狀態(tài)保持低而不是高。因此，根據(jù)設(shè)計者的偏好，可能需要另一個逆變器。圖 6 顯示了具有上述所有改進(jìn)的電路。

圖 6.一個實用的 4093B 施密特觸發(fā)器 RC 振蕩器，其輸出適合饋入數(shù)字輸入，并且處于低空閑狀態(tài)。

555 定時器

555 定時器是迄今為止最流行的模擬集成電路，用于生成具有適度要求的低頻時鐘信號。

555 定時器作為非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的工作原理本質(zhì)上與施密特觸發(fā)器 RC 振蕩器相同，因為它將電容器的電壓保持在兩個電平之間，通常分別為VDD的 1/3 和 2/3 。

555定時器的非穩(wěn)態(tài)電路只能產(chǎn)生占空比大于50%的信號。然而，通過一些修改可以達(dá)到任何占空比。同樣，施密特觸發(fā)器 RC 振蕩器生成具有一些固定占空比（對稱滯后為 50%）的信號，但可以修改為生成幾乎任何占空比。整流器通常對兩個電路都有效。

圖 7.具有獨立充電和放電電阻的 RC 振蕩器。

請注意圖 7 顯示電容器如何通過 Rc 充電并通過 Rd 放電。這將 t h 和 t l的控制分開 以產(chǎn)生任何占空比。在這個電路中，與非門實現(xiàn)了一個單輸入反相器。

此外，脈沖寬度調(diào)制需要在保持周期恒定的同時修改脈沖寬度。這可以通過兩個電路使用電阻器所在的電位器來實現(xiàn)。

圖 8.使用 RC 振蕩器實現(xiàn)的 PWM 發(fā)生器。

請注意，在圖 8 中，電位器在前面的電路中既充當(dāng)充電電阻器又充當(dāng)放電電阻器。兩個固定電阻器的電阻必須分別產(chǎn)生 t h和 t l的最小期望值 。這些電阻器是強(qiáng)制性的，因為在任一端設(shè)置電位器會使 RC 電路的有效電阻過低（只是柵極的輸出電阻加上二極管的正向電阻），這可能會使柵極的輸出電流接近其最大額定值。

結(jié)論

RC 振蕩器的準(zhǔn)確設(shè)計取決于一系列特定于實現(xiàn)中組件的參數(shù)。然而，電路是如此簡單，以至于其設(shè)計中的不準(zhǔn)確之處可以通過反復(fù)試驗來克服。例如，如果R和C的值可以通過簡化方程設(shè)置，則可以通過改變電阻或電容來微調(diào)所得頻率。實際上，微調(diào)電位器通常用于微調(diào)生成的頻率。

對于非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（生成具有中等頻率精度的時鐘信號），555 定時器與非常簡單的施密特觸發(fā)器振蕩器相比并沒有顯著優(yōu)勢。