解析正反馈迟滞的非稳态多谐振荡器

 

　　多谐振荡器：利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止，从自激多谐振荡器而自激产生方波输出的振荡器。常用作方波发生器。   多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。"多谐"指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

　　多谐振荡器构成：

　　1、分立元件构成   2、运放构成   3、集成门电路构成   4、集成施密特触发器组成的   5、晶体管稳频的   6、555集成电路组成

　　很多设计都采用基于逻辑元件的非稳态多谐振荡器，简单的办法是围绕一个单反相施密特触发转换器的RC反馈回路（图1）。输出端将电容充电至较高的开关阈值，在该点上输出切换至其相反状态，而电容的充电电流反向。当电容的电压跨越较低阈值时，输出与阈值均转换为原来的值，过程重复。时序取决于RC时间常数与两个阈值之间宽度所决定的迟滞时间（图2）。不幸的是，虽然转换器制造商在数据表中给出了器件的迟滞电压，但范围相当大。另外，它们还与温度有一些关联。

  图1,采用一个施密特触发器和一个RC网络的基本非稳态多谐振荡器。

　　图2,一只器件的迟滞主要确定了开关的阈值。

　　简单的转换器（没有可过冲超出标称阈值的迟滞）将电容充电至其阈值电压，并停止在其狭窄的线性区间内。在这个点上，从反相输出到输入端的负反馈将输出稳定到阈值电压。，正反馈由外接无源元件所确定（图3）。

　　图3,增加一个正反馈级可为一个简单的反相级提供迟滞。

　　无论第1级何时跨越其阈值，附加的第2级会通过一个反馈电容注入额外的电荷，使时序电容的电压跳过阈值。RC充电电流转换方向，返回阈值电压。当回到阈值电压时，迟滞注入电路再次使电压跳过目标值，于是RC时序电路必须再次使充电电流反向，以搜寻阈值电压（图4）。VTHRESH是阈值电压，VLOW为低输出电压，VHIGH而为高输出电压。

　　图4,迟滞的来源是从第2级的突发充电，它以一个已知的固定量，使时序电容电压跳过开关阈值。

　　可以查看迟滞过冲电压VHYST,它是由时序电容CT和迟滞电容CH构成的电容分压器的结果。当第1级转换第2级时，其输出从一个低值跳到一个高值，或者从一个高值跳到一个低值，跳跃的量为VHIGH–VLOW,而时序电容的电压跳跃的幅度为VHYST=（VHIGH–VLOW）（CH/（CH+CT））。其次，时序电容通过时序电容和迟滞电容吸入电流，其电压放松至第1级的输出电压。

　　于是，弛豫时间常数为R（CT+CH），弛豫电压为VCT=（VTHRESH+VHYST–VLOW）exp（–t/R（CT+CH））或VCT=（VHIGH–（VTHRESH–VHYST））exp（–t/R（CT+CH）），取决于发生在哪个半周期。对另半周期。

　　在总周期中，应增加通过第1级和第2级的总传播时间（tPLH+tPHL）。除非你希望电路工作在频率，否则这些传播时间会变得没有意义。因此，对周期的预测只取决于无源元件值，以及它们的公差、温度和老化系数。

　　当使用CMOS器件时（如仙童半导体公司的74VHC04），上升与下降时间取决于器件的输出电阻以及外接元件。如果将第2级建模为一个RC电路，可以用tRISE2=tFALL2=2.2RO（CTCH/（CT+CH））+tO估计出10%至90%指数上升与下降时间，其中tRISE2为上升时间，tFALL2为下降时间，RO为器件的输出电阻（74VHC04为30Ω），而tO为无负载上升时间（此种情况下，VHC04为4.5ns）。于是，总周期为：t1+t2+2（tPLH+tPHL）+tRISE2+tFALL2.

　　另外要注意的是，时序依赖于反相器的输出电压，以及该区间内阈值电压的位置。例如，一款输出电压接近电压轨的CMOS器件要比一个TTL（晶体管-晶体管逻辑）器件更可预测。

　　对于较高频率，必须采用较小的电阻值、较小的时序电容值，或两者都是较小值。对于可预知的结果，时序电容值应比反相器输入电容小10倍，对一只典型CMOS器件，输入电容值在3pF至10pF范围内，R不应小到会明显拉低输出。作为一种预防性措施，迟滞电容值应不超过时序电容值，因此就不会超过第1级的输入电压。如果迟滞电容值要比时序电容大得多，则阈值电压与迟滞电压会分别达到7.5V和-2.5V.74VHC04器件用5%电阻和20%电容验证了该计算。

图5,电路在低频性能良好。

　　表1汇总了各个结果， 它们处于元件公差范围内。图5给出了一个典型的输入与输出图。

　　因为有串联电阻，流过电容的电流总是有限值，所以电容上的电压差不能发生突变，一头的电压下降，另一头必然会立即跟着下降。器件的输入电阻都很大，可以视为开路，注意到反相器电阻两端总有电压差，因此会有电流，这个电流会流进电容给电容充电。这和RC滤波器、积分器之类的原理差不多

　　优点：

　　1.频率长期稳定性极高；

　　2.Q值高，带宽很窄，有利于选频；

　　3.体积小，适应现在集成工艺要求

　　4.价格便宜，电路简单。

　　缺点：

　　1.频率不能调节，不能简单用于可变调谐电路

　　2.频带窄，不能用于宽带滤波