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如何设计施密特触发振荡器?

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本文讨论施密特触发器RC振荡器的优缺点。这些振荡器尤其重要,因为它们存在于许多流行MCU的内部振荡器中。

在上一篇文章  “施密特触发振荡器的工作原理”中,我们讨论了基本的RC施密特触发振荡器的原理图,并得出了周期和频率的一般方程。

 

图1. RC施密特触发器振荡器

 

image.png

 

这些方程假设了许多方便的参数值,并且它们并不完全准确。例如,高输出电压不一定是电源电压。施密特触发器阈值电压值可能因制造商而异。因此,设计RC振荡器时需要考虑额外的因素。

 

不只是任何施密特触发门都可以

 周期和频率方程的ln部分是取决于阈值电压的常数。阈值电压特定于所使用的特定集成电路。因此,无论周期中出现的常数如何,频率方程都会因芯片而异。

此外,施密特触发器逆变器或门的数据表将为和VT-建立一系列可能的值,通常包含在最小和最大指定值内。也可以指定一个典型值,但除了在最小值和最大值之外,不能保证芯片的实际阈值。不幸的是,这部分是你无法控制的。

74LS14施密特触发门IC


 


4093B CMOS集成电路

另一种流行的选择是4093B CMOS集成电路,其阈值电压更接近所需的对称阈值配置。图3显示了4093B的相同图形情况:

 

 

由于4093B是双输入NAND,当另一个输入为高电平时,它可以作为原始逆变器。这为电路提供了使能输入线的特性。只要此使能线为高电平,电路将输出时钟信号,如果不是,则输出固定的高电平值。

 

图4.具有4093B CMOS四通道NAND集成电路的RC振荡器。

 

在图4中,额外输入用作启用线。请注意,输出中的空闲状态很高。

 

TTL与CMOS

使用4093B IC而不是74LS14的另一个原因是它们的实现技术。TTL门由BJT制成,尽管LS系列中使用的变体旨在实现低功耗,但它们的输入阻抗不是很好。这些门可以具有高达1mA的输入电流和低至0.1mA的输入电流。

10MΩ10MΩ


该参数(输入阻抗)的问题在于它对RC充电/放电电路的串联模型的精确度有影响。具有较低的输入阻抗会对RC电路产生更明显的负载影响,并且更合适的模型必须考虑到较低的输入阻抗。

2kΩ2kΩ


在任何情况下,CMOS门都没有这个问题。

 

输出将很难成矩形

原始振荡器产生的输出电压不完全是矩形波。在低和高状态下可见的斜率是反馈回路的模拟性质的影响。

请记住,电容从栅极的高电平输出吸取电流,并为栅极的低电平输出提供电流。斜率的原因是栅极的输出阻抗。

逻辑门通常应该将其输出提供给数字输入,而不是耗电元件,因此这些器件的输出阻抗并不是那么低。因此,在输出引脚处测量的电压是预期输出减去串联的Thevenin输出电阻中的电压降。该电阻的电压与电流成正比,而电流正在变化。图5显示了这种情况。

 

图5.相当大的输出电阻的影响。 

 

上图中的栅极被建模为方波发生器,其中串联电阻,显示在阴影区域内。理想输出信号(Vout)在发生器输出端测量,在输出电阻器中的电压降之前,并在图中显示为红色。输出引脚(Vpin)中的实际电压在图中显示为蓝色。注意理想的矩形信号(红色)在高低电平(蓝色)中是如何变形的。

输出电阻引起的问题是双重的:首先,它影响充电和放电时间,其次,输出信号不是矩形。

在解决第一个问题时,输出电阻会使输出引脚电压具有较低的  高电平电压和较高的  低电平电压。这意味着充电和放电方程式毕竟不会非常准确,因为电压差实际上会更小。解决这种不准确性的一个简单方法是从数据表中了解输出电阻的值,并将其添加到R的值。

RC→(Rout+R)×CRC→(Rout+R)×C


至于第二个问题,具有非矩形信号对于数字输入通常不是坏的。但是,将任何其他内容连接到输出将影响振荡器的行为,因为输出将被进一步加载。一个好的做法是将振荡部分留在自身并用集成电路中剩余的一个门重新生成该信号。这主要是为了重新生成任何数字电路应该使用它的输出信号。

在NAND振荡器的情况下,该第二反相器级也将“空闲”状态保持为低而不是高。因此,根据设计者的偏好,可能需要另一个逆变器。图6显示了一个具有所有改进的电路。

 

图6.一个实用的4093B施密特触发器RC振荡器,其输出适合馈入数字输入和低空闲状态。

 

555计时器

555定时器是迄今为止最流行的模拟集成电路,用于生成具有适度要求的低频时钟信号。

作为非稳态多谐振荡器的555定时器的工作原理实质上与施密特触发器RC振荡器相同,因为它将电容器的电压保持在两个电平之间,通常 分别为V DD的 1/3和2/3 。

555定时器的非稳态电路只能产生占空比大于50%的信号。但是,可以通过一些修改达到任何占空比。同样,施密特触发器RC振荡器产生具有一定固定占空比的信号(对称滞后为50%),但可以修改以产生几乎任何占空比。整流器通常可以为两个电路提供技巧。

 

图7.具有独立充电和放电电阻的RC振荡器。
 

注意图7显示了电容器通过Rc充电并通过Rd放电。这将t h  和t l的控制分开, 以产生任何占空比。在该电路中,NAND门实现单输入反相器。

而且,脉冲宽度调制需要在保持周期恒定的同时修改脉冲宽度。这可以通过使用电阻器的电位计的两个电路来实现。

 

图8.使用RC振荡器实现的PWM发生器。

 

请注意,在图8中,电位计充当前一电路中的充电电阻和放电电阻。两个固定电阻器必须具有分别产生最小期望值t h和t l的电阻 。这些电阻是强制性的,因为在任一端设置电位器会使RC电路的有效电阻过低(只是栅极的输出电阻加上二极管的正向电阻ICfans),这可能使栅极的输出电流接近其最大额定值。

 

结论

RC振荡器的精确设计取决于特定于实现中存在的组件的一系列参数。然而,电路非常简单,通过反复试验可以克服设计中的不准确性。例如,如果可以通过简化方程设置RC的值,则可以通过改变电阻或电容来修整所得到的频率。实际上,通常使用微调电位计来微调产生的频率。

对于非稳态多谐振荡器(产生具有适度频率精度的时钟信号),555定时器与非常简单的施密特触发器振荡器相比没有明显的优势。