如何设计施密特触发器振荡器

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常用mcu的内部振荡器中。

在前一篇文章中，施密特触发器振荡器的工作原理，我们研究了一个基本的RC施密特触发器振荡器的原理图，并导出了周期和频率的一般方程。

图1所示。RC施密特触发振荡器

$ $ T = RC \;ln \离开({V_{高}-V_ {T -} \ / V_{高}-V_ {T +}} \ * {V_ {T +} \ / V_ {T -}} \) \ \ \ \ $ $

方程1。输出信号的周期。

$$f={1 \ / RC \;ln \离开({V_{高}-V_ {T -} \ / V_{高}-V_ {T +}} \ * {V_ {T +} \ / V_ {T -}} \ ) } \\\\$$

方程2。频率的一般方程。

这些方程假设了许多方便的参数值，并且它们不是完全准确的。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振荡器时总是有额外的考虑。

不是任何施密特触发门都可以

的ln部分周期和频率方程是一个常数，取决于阈值电压。阈值电压与所使用的特定集成电路有关。所以，在周期和频率方程中出现的常数在芯片之间是不同的。

此外，Schmitt触发器逆变器或门的数据表将建立$$V_{T+}$$和$$V_{T-}$$的可能值范围，通常包含在最小和最大指定值内。也可以指定一个典型的值，但是不能保证芯片的实际阈值，只能在最小值和最大值之内。不幸的是，这部分不是你能控制的。

74LS14施密特触发器门IC

在TTL LS系列中非常流行的施密特触发器门IC是74LS14，它是一组6个逆变器，阈值电压低于2.5V(这是电源电压的一半)。问题在于放电阶段(低脉宽)比充电阶段(高脉宽)需要更长的时间。这是因为电荷阶段被配置为从$$V_{T-}$到达$$V_{DD}$$。这比放电阶段的初始电压差$$V_{T+}$大得多。图2以图形方式显示了这种情况:

图2。基于74ls14的RC振荡器的电容电压。对于这个门,$ $ V_ {T +} $ $ 1.66 v,和$ $ V_ {T -} $ $ 0.84 v。

4093B CMOS集成电路

另一个流行的选择是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:

图3。基于4093b的RC振荡器的电容电压。对于这个门,$ $ V_ {T +} $ $ 3.3 v,和$ $ V_ {T -} $ $ 1.65 v。

由于4093B是一个双输入的NAND，当另一个输入较高时，它可以作为原始逆变器。这使电路具有使能输入线的特性。当这个使能线高时，电路将输出时钟信号，当它不是时，一个固定的高值。

图4。RC振荡器与4093B CMOS四组NAND集成电路。

在图4中，额外的输入被用作启用行。注意，输出中的空闲状态很高。

TTL vs互补金属氧化物半导体

使用4093B IC而不是74LS14的另一个原因是它们的实现技术。TTL门是用bts做的，尽管LS家族中使用的变型是为了低功耗，但它们的输入阻抗不是很好。这些门可以有一个输入电流高达1mA和低至0.1mA。

另一方面，CMOS门是用mosfet制造的，它有极高的输入阻抗——总是高于$ 1000万\Omega$$。这导致输入电流总是低于100nA。

这个参数(输入阻抗)的问题是，它对RC充电/放电电路的系列模型的准确性有影响。较低的输入阻抗会对RC电路产生更明显的负载影响，一个更合适的模型必须考虑较低的输入阻抗。

RC振荡器使用TTL ic的一个含义是R限制为较小的值，通常在$2k\Omega$$以下。这就迫使设计者使用更大的电容器来实现更低的频率。

在任何情况下，CMOS门都没有这个问题。

输出几乎不会是矩形

原来振荡器产生的输出电压并不完全是矩形波。在低和高状态中可见的斜率是反馈回路模拟性质的影响。

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

逻辑门通常会将其输出提供给数字输入，而不是耗电元件，所以这些器件的输出阻抗不是那么低。因此，在输出引脚处测量的电压是预期输出减去串联戴文宁输出电阻的电压降。这个电阻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。

上图中的栅极被模拟成一个方波发生器和一个串联的电阻器，如图所示在阴影区域内。理想输出信号(Vout)是在发电机的输出处测量的，在输出电阻的电压降之前，它在图中显示为红色。输出引脚(Vpin)的实际电压在图中以蓝色显示。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。

输出电阻造成的问题有两个方面:一是影响充放电次数，二是输出信号不是矩形的。

阐述了第一个问题，输出电阻导致输出引脚电压有a较低的高电压和更高的低电压。这意味着，充电和放电方程将不是非常准确，毕竟，因为电压差将实际更小。一个简单的解决方法是从数据表中了解输出电阻的值，并将其加到R的值上。

$$RC \right tarrow (Rout+R)\times C$$ . Rout+R

至于第二个问题，对于数字输入来说，非矩形信号通常不是坏事。然而，将任何其他东西连接到输出将对振荡器的行为产生影响，因为输出将被进一步加载。一个好的做法是让振荡部分自行产生，用集成电路中剩余的一个门再生该信号。这主要是为了再生输出信号，无论什么数字电路应该使用它。

在NAND振荡器的情况下，第二逆变级也将使“空闲”状态变为低而不是高。因此，根据设计者的喜好，可能需要另一个逆变器。图6显示了一个经过上述改进的电路。

图6。一个实用的4093B施密特触发器RC振荡器的输出适合馈送到数字输入，和低空闲状态。

555定时器

555定时器是迄今为止最流行的模拟集成电路产生低频时钟信号与适度的要求。

555定时器作为一个稳定的多谐振荡器的工作原理，本质上，与施密特触发器RC振荡器的工作原理相同，因为它保持电容器的电压在两个水平之间，典型的1/3和2/3 V_DD分别。

555定时器的稳定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。同样地，施密特触发器RC振荡器产生的信号具有一些固定的占空比(50%的对称迟滞)，但可以修改，以产生几乎任何占空比。整流器通常对两种电路都有效。

图7。RC振荡器带有单独的充电和放电电阻。

注意图7是如何显示电容器通过Rc充电和通过Rd放电的。这分离了对t的控制_h和t_l用于产生任何占空比。在这个电路中，与非门实现了一个单输入逆变器。

此外，脉冲宽度调制需要在保持周期不变的情况下修改脉冲宽度。这可以通过在电位器处使用电位器实现。

图8。用RC振荡器实现的PWM发生器。

注意，在图8中，电位器充当前一个电路中的充电电阻和放电电阻。这两个固定电阻器必须有一个能产生最小期望值t的电阻_h和t_l分别。这些电阻是强制性的，因为在两端设置电位器会使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这是最大额定值。

结论

RC振荡器的精确设计取决于实现中存在的组件的一系列特定参数。然而，电路是如此简单，他们的设计中的不准确可以通过试验和错误来克服。例如，如果R和C可以由简化的方程设定，然后通过改变电阻或电容来调整产生的频率。实际上，微调电位器常用于微调产生的频率。

当涉及到一个稳定的多谐振荡器(产生适度频率精度的时钟信号)，555定时器没有提供一个非常简单的施密特触发器振荡器戏剧性的优势。