施密特触发器RC振荡器的优缺点

本文讨论了施密特触发器RC振荡器的优缺点。这些振荡器特别重要，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 “施密特触发器振荡器的工作原理”中，我们回顾了基本 RC 施密特触发器振荡器的原理图，并推导出了周期和频率的一般方程。

图 1. RC 施密特触发振荡器

这些方程假设了很多方便的参数值，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，在设计 RC 振荡器时总是需要考虑额外的因素。

4093B CMOS集成电路

另一种流行的选择是 4093B CMOS 集成电路，它的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：

因为 4093B 是一个双输入 NAND，所以当另一个输入为高电平时，它可以作为原始反相器。这使电路具有使能输入线的特性。每当这条使能线为高电平时，电路将输出时钟信号，如果不是，则输出一个固定的高电平值。

图 4.带有 4093B CMOS 四与非集成电路的 RC 振荡器。

在图 4 中，额外的输入用作启用线。请注意，输出中的空闲状态为高。

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，但它们的输入阻抗并不是很好。这些门可以具有高达 1mA 和低至 0.1mA 的输入电流。

另一方面，CMOS 门由 MOSFET 制成，具有极高的输入阻抗——总是高于 1000 万美元。这导致输入电流始终低于 100nA。10米Ω10MΩ。 这导致输入电流始终低于 100nA。

这个参数（输入阻抗）的问题在于它会影响串联模型对 RC 充电/放电电路的准确度。具有较低的输入阻抗会对 RC 电路产生更明显的负载效应，并且更合适的模型必须考虑到较低的输入阻抗。

将 TTL IC 用于 RC 振荡器的一个含义是R的值被限制为较小的值，通常低于 $$2k\Omega$$。这迫使设计人员使用更大的电容器来实现更低的频率。2ķΩ2kΩ。 这迫使设计人员使用更大的电容器来实现更低的频率。

在任何情况下，CMOS 门都不存在这个问题。

输出几乎不会是矩形的

原始振荡器产生的输出电压并不完全是矩形波。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，电容器从栅极的高电平输出汲取电流，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，而不是提供给耗电元件，因此这些设备中的输出阻抗并不是那么低。因此，在输出引脚上测得的电压是预期输出减去串联戴维南输出电阻中的电压降。该电阻器的电压与正在变化的电流成正比。图 5 显示了这种情况。

图 5.相当大的输出电阻的影响。

上图中的门被建模为一个串联电阻的方波发生器，显示在阴影区域内。理想的输出信号 （Vout） 在发生器的输出端测量，在输出电阻器的压降之前，它在图中显示为红色。输出引脚 （Vpin） 中的实际电压在图中显示为蓝色。请注意理想的矩形信号（红色）在高电平和低电平（蓝色）中是如何变形的。

输出电阻带来的问题是双重的：一是影响充放电次数，二是输出信号不是矩形的。

详述第一个问题，输出电阻导致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毕竟不会很准确，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 的值中。

RC→（R○你吨+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并不坏。但是，将其他任何东西连接到输出都会对振荡器的行为产生影响，因为输出将被进一步加载。一个好的做法是将振荡部分留给自己，并使用集成电路中剩余的门之一重新生成该信号。这样做主要是为了为应该使用它的任何数字电路重新生成输出信号。

在 NAND 振荡器的情况下，第二个反相器级也将使“空闲”状态保持低而不是高。因此，根据设计者的偏好，可能需要另一个逆变器。图 6 显示了具有上述所有改进的电路。

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，并且处于低空闲状态。

555 定时器

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。

555 定时器作为非稳态多谐振荡器的工作原理本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VDD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。然而，通过一些修改可以达到任何占空比。同样，施密特触发器 RC 振荡器生成具有一些固定占空比（对称滞后为 50%）的信号，但可以修改为生成几乎任何占空比。整流器通常对两个电路都有效。

图 7.具有独立充电和放电电阻的 RC 振荡器。

请注意图 7 显示电容器如何通过 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。在这个电路中，与非门实现了一个单输入反相器。

此外，脉冲宽度调制需要在保持周期恒定的同时修改脉冲宽度。这可以通过两个电路使用电阻器所在的电位器来实现。

图 8.使用 RC 振荡器实现的 PWM 发生器。

请注意，在图 8 中，电位器在前面的电路中既充当充电电阻器又充当放电电阻器。两个固定电阻器的电阻必须分别产生 t h和 t l的最小期望值 。这些电阻器是强制性的，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），这可能会使栅极的输出电流接近其最大额定值。

结论

RC 振荡器的准确设计取决于一系列特定于实现中组件的参数。然而，电路是如此简单，以至于其设计中的不准确之处可以通过反复试验来克服。例如，如果R和C的值可以通过简化方程设置，则可以通过改变电阻或电容来微调所得频率。实际上，微调电位器通常用于微调生成的频率。

对于非稳态多谐振荡器（生成具有中等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并没有显着优势。