解析正反饋遲滯的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器
出處:winsu 發(fā)布于:2011-08-28 11:01:46
多諧振蕩器:利用深度正反饋,通過阻容耦合使兩個電子器件交替導通與截止,從自激多諧振蕩器而自激產(chǎn)生方波輸出的振蕩器。常用作方波發(fā)生器。 多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器,也稱矩形波發(fā)生器。"多諧"指矩形波中除了基波成分外,還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時,電路的狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換,由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號,常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。
多諧振蕩器構(gòu)成:
1、分立元件構(gòu)成 2、運放構(gòu)成 3、集成門電路構(gòu)成 4、集成施密特觸發(fā)器組成的 5、晶體管穩(wěn)頻的 6、555集成電路組成
很多設計都采用基于邏輯元件的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,簡單的辦法是圍繞一個單反相施密特觸發(fā)轉(zhuǎn)換器的RC反饋回路(圖1)。輸出端將電容充電至較高的開關閾值,在該點上輸出切換至其相反狀態(tài),而電容的充電電流反向。當電容的電壓跨越較低閾值時,輸出與閾值均轉(zhuǎn)換為原來的值,過程重復。時序取決于RC時間常數(shù)與兩個閾值之間寬度所決定的遲滯時間(圖2)。不幸的是,雖然轉(zhuǎn)換器制造商在數(shù)據(jù)表中給出了器件的遲滯電壓,但范圍相當大。另外,它們還與溫度有一些關聯(lián)。

圖1,采用一個施密特觸發(fā)器和一個RC網(wǎng)絡的基本非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。

圖2,一只器件的遲滯主要確定了開關的閾值。
簡單的轉(zhuǎn)換器(沒有可過沖超出標稱閾值的遲滯)將電容充電至其閾值電壓,并停止在其狹窄的線性區(qū)間內(nèi)。在這個點上,從反相輸出到輸入端的負反饋將輸出穩(wěn)定到閾值電壓。,正反饋由外接無源元件所確定(圖3)。

圖3,增加一個正反饋級可為一個簡單的反相級提供遲滯。
無論第1級何時跨越其閾值,附加的第2級會通過一個反饋電容注入額外的電荷,使時序電容的電壓跳過閾值。RC充電電流轉(zhuǎn)換方向,返回閾值電壓。當回到閾值電壓時,遲滯注入電路再次使電壓跳過目標值,于是RC時序電路必須再次使充電電流反向,以搜尋閾值電壓(圖4)。VTHRESH是閾值電壓,VLOW為低輸出電壓,VHIGH而為高輸出電壓。

圖4,遲滯的來源是從第2級的突發(fā)充電,它以一個已知的固定量,使時序電容電壓跳過開關閾值。
可以查看遲滯過沖電壓VHYST,它是由時序電容CT和遲滯電容CH構(gòu)成的電容分壓器的結(jié)果。當?shù)?級轉(zhuǎn)換第2級時,其輸出從一個低值跳到一個高值,或者從一個高值跳到一個低值,跳躍的量為VHIGH–VLOW,而時序電容的電壓跳躍的幅度為VHYST=(VHIGH–VLOW)(CH/(CH+CT))。其次,時序電容通過時序電容和遲滯電容吸入電流,其電壓放松至第1級的輸出電壓。
于是,弛豫時間常數(shù)為R(CT+CH),弛豫電壓為VCT=(VTHRESH+VHYST–VLOW)exp(–t/R(CT+CH))或VCT=(VHIGH–(VTHRESH–VHYST))exp(–t/R(CT+CH)),取決于發(fā)生在哪個半周期。對另半周期。
在總周期中,應增加通過第1級和第2級的總傳播時間(tPLH+tPHL)。除非你希望電路工作在頻率,否則這些傳播時間會變得沒有意義。因此,對周期的預測只取決于無源元件值,以及它們的公差、溫度和老化系數(shù)。
當使用CMOS器件時(如仙童半導體公司的74VHC04),上升與下降時間取決于器件的輸出電阻以及外接元件。如果將第2級建模為一個RC電路,可以用tRISE2=tFALL2=2.2RO(CTCH/(CT+CH))+tO估計出10%至90%指數(shù)上升與下降時間,其中tRISE2為上升時間,tFALL2為下降時間,RO為器件的輸出電阻(74VHC04為30Ω),而tO為無負載上升時間(此種情況下,VHC04為4.5ns)。于是,總周期為:t1+t2+2(tPLH+tPHL)+tRISE2+tFALL2.
另外要注意的是,時序依賴于反相器的輸出電壓,以及該區(qū)間內(nèi)閾值電壓的位置。例如,一款輸出電壓接近電壓軌的CMOS器件要比一個TTL(晶體管-晶體管邏輯)器件更可預測。
對于較高頻率,必須采用較小的電阻值、較小的時序電容值,或兩者都是較小值。對于可預知的結(jié)果,時序電容值應比反相器輸入電容小10倍,對一只典型CMOS器件,輸入電容值在3pF至10pF范圍內(nèi),R不應小到會明顯拉低輸出。作為一種預防性措施,遲滯電容值應不超過時序電容值,因此就不會超過第1級的輸入電壓。如果遲滯電容值要比時序電容大得多,則閾值電壓與遲滯電壓會分別達到7.5V和-2.5V.74VHC04器件用5%電阻和20%電容驗證了該計算。

圖5,電路在低頻性能良好。
表1匯總了各個結(jié)果, 它們處于元件公差范圍內(nèi)。圖5給出了一個典型的輸入與輸出圖。

因為有串聯(lián)電阻,流過電容的電流總是有限值,所以電容上的電壓差不能發(fā)生突變,一頭的電壓下降,另一頭必然會立即跟著下降。器件的輸入電阻都很大,可以視為開路,注意到反相器電阻兩端總有電壓差,因此會有電流,這個電流會流進電容給電容充電。這和RC濾波器、積分器之類的原理差不多
優(yōu)點:
1.頻率長期穩(wěn)定性極高;
2.Q值高,帶寬很窄,有利于選頻;
3.體積小,適應現(xiàn)在集成工藝要求
4.價格便宜,電路簡單。
缺點:
1.頻率不能調(diào)節(jié),不能簡單用于可變調(diào)諧電路
2.頻帶窄,不能用于寬帶濾波
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