施密特觸發器RC振蕩器的優缺點

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

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

圖 1. RC 施密特觸發振蕩器

這些方程假設了很多方便的參數值，它們并不完全準確。例如，高輸出電壓不一定是電源電壓。施密特觸發器閾值電壓值可能因制造商而異。因此，在設計 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技術。TTL 門由 BJT 制成，盡管 LS 系列中使用的變體旨在實現低功耗，但它們的輸入阻抗并不是很好。這些門可以具有高達 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。這導致輸入電流始終低于 100nA。10米Ω10MΩ。 這導致輸入電流始終低于 100nA。

這個參數（輸入阻抗）的問題在于它會影響串聯模型對 RC 充電/放電電路的準確度。具有較低的輸入阻抗會對 RC 電路產生更明顯的負載效應，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 $$2k\Omega$$。這迫使設計人員使用更大的電容器來實現更低的頻率。2?Ω2kΩ。 這迫使設計人員使用更大的電容器來實現更低的頻率。

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

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

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。

邏輯門通常應該將其輸出提供給數字輸入，而不是提供給耗電元件，因此這些設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期輸出減去串聯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.相當大的輸出電阻的影響。

上圖中的門被建模為一個串聯電阻的方波發生器，顯示在陰影區域內。理想的輸出信號 （Vout） 在發生器的輸出端測量，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色。請注意理想的矩形信號（紅色）在高電平和低電平（藍色）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，二是輸出信號不是矩形的。

詳述第一個問題，輸出電阻導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確，因為電壓差實際上會更小。解決這種不準確性的一個簡單方法是從數據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生影響，因為輸出將被進一步加載。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該使用它的任何數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”狀態保持低而不是高。因此，根據設計者的偏好，可能需要另一個逆變器。圖 6 顯示了具有上述所有改進的電路。

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

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 定時器作為非穩態多諧振蕩器的工作原理本質上與施密特觸發器 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定時器的非穩態電路只能產生占空比大于50%的信號。然而，通過一些修改可以達到任何占空比。同樣，施密特觸發器 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 以產生任何占空比。在這個電路中，與非門實現了一個單輸入反相器。

此外，脈沖寬度調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。

圖 8.使用 RC 振蕩器實現的 PWM 發生器。

請注意，在圖 8 中，電位器在前面的電路中既充當充電電阻器又充當放電電阻器。兩個固定電阻器的電阻必須分別產生 t h和 t l的最小期望值 。這些電阻器是強制性的，因為在任一端設置電位器會使 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。

結論

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

對于非穩態多諧振蕩器（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器振蕩器相比并沒有顯著優勢。