對稱式多諧振蕩器

關(guān)于對稱式多諧振蕩器30.06.20231第1頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.20232復習脈沖電路的研究重點與數(shù)字電路有何不同？常用脈沖波形的產(chǎn)生與變換電路有哪些？周期性矩形波的主要參數(shù)？施密特觸發(fā)器的特點和主要應(yīng)用？第2頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.20233

1．多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。

2．通過電容的充電和放電，使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，無需外觸發(fā)。

3．輸出周期性的矩形脈沖信號，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器。5.3多諧振蕩器第3頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.202345.3.1對稱式多諧振蕩器返回1.電路組成由兩個TTL反相器經(jīng)電容交叉耦合而成。通常令C1=C2=C，R1=R2=RF。為了使靜態(tài)時反相器工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，具有較強的放大能力，應(yīng)滿足ROFF＜RF＜RON的條件。

圖5-14對稱式多諧振蕩器第4頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.20235

2.工作原理

假定接通電源后，由于某種原因使uI1有微小正跳變，則必然會引起如下的正反饋過程

：

使uO1迅速跳變?yōu)榈碗娖健O2迅速跳變?yōu)楦唠娖?，電路進入第一暫穩(wěn)態(tài)。此后，uO2的高電平對C1電容充電使uI2升高，電容C2放電使uI1降低。由于充電時間常數(shù)小于放電時間常數(shù)，所以充電速度較快，uI2首先上升到G2的閾值電壓UTH，并引起如下的正反饋過程：第5頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.20236使uO2迅速跳變?yōu)榈碗娖?、uO1迅速跳變?yōu)楦唠娖?，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)。此后，C1放電、C2充電，C2充電使uI1上升，會引起又一次正反饋過程，電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)。這樣，周而復始，電路不停地在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間振蕩，輸出端產(chǎn)生了矩形脈沖。

第6頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.20237圖5-15對稱式多諧振蕩器的工作波形第7頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.202383.

主要參數(shù)

矩形脈沖的振蕩周期為

T≈1.4RFC當取RF＝1kΩ、C＝I00pF～100μF時，則該電路的振蕩頻率可在幾赫到幾兆赫的范圍內(nèi)變化。第8頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.202395.3.2環(huán)形振蕩器返回1.最簡單的環(huán)形振蕩器

圖5-16最簡單的環(huán)形振蕩器(a)電路(b)工作波形

利用集成門電路的傳輸延遲時間，將奇數(shù)個反相器首尾相連便可構(gòu)成最簡單的環(huán)形振蕩器。該電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)。

如此周而復始，便產(chǎn)生了自激振蕩。振蕩周期

T=6tpd。

第9頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.2023102.RC環(huán)形振蕩器

最簡單的環(huán)形振蕩器構(gòu)成十分簡單，但是并不實用。因為集成門電路的延遲時間tpd極短，而且振蕩周期不便調(diào)節(jié)。圖5-17

RC環(huán)形振蕩器

利用電容C的充放電，改變uI3的電平(因為RS很小,在分析時往往忽略它。)來控制G3周期性的導通和截止，在輸出端產(chǎn)生矩形脈沖。RS是限流電阻（保護G3），通常選100Ω左右。增加RC延遲環(huán)節(jié)，即可組成RC環(huán)形振蕩器電路。

第10頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.202311圖5-18RC環(huán)形振蕩器的工作波形電路的振蕩周期為

T≈2.2RC

R不能選得太大（一般1kΩ左右），否則電路不能正常振蕩。

。

第11頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.2023123.CMOS反相器構(gòu)成的多諧振蕩器

R的選擇應(yīng)使G1工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)。此時，由于uO1即為uI2，G2也工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，若uI有正向擾動，必然引起下述正反饋過程：

圖5-19CMOS反相器構(gòu)成的多諧振蕩器第12頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.202313隨著電容C的不斷充電，uI不斷上升，當uI≥UTH時，電路又迅速跳變?yōu)榈谝粫悍€(wěn)態(tài)。如此周而復始，電路不停地在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)換，電路將輸出矩形波。振蕩周期為

T＝1.4RC圖5-20

CMOS反相器構(gòu)成多諧振蕩器的工作波形第13頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.202314使uO1迅速變成低電平，而uO2迅速變成高電平，電路進入第一暫穩(wěn)態(tài)。此時，電容C通過R放電，然后uO2向C反向充電。隨著電容C的的放電和反向充電，uI不斷下降，達到uI＝UTH時，電路又產(chǎn)生一次正反饋過程：

從而使uO1迅速變成高電平，uO2迅速變成低電平，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)。此時，uO1通過R向電容C充電。

第14頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.2023155.3.3石英晶體振蕩器返回前面介紹的多諧振蕩器的一個共同特點就是振蕩頻率不穩(wěn)定，容易受溫度、電源電壓波動和RC參數(shù)誤差的影響。而在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖信號常用作時鐘信號來控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。因此，控制信號頻率不穩(wěn)定會直接影響到系統(tǒng)的工作，顯然，前面討論的多諧振蕩器是不能滿足要求的，必須采用頻率穩(wěn)定度很高的石英晶體多諧振蕩器。第15頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.202316石英晶體的阻抗頻率特性圖

石英晶體具有很好的選頻特性。當振蕩信號的頻率和石英晶體的固有諧振頻率fo相同時，石英晶體呈現(xiàn)很低的阻抗，信號很容易通過，而其它頻率的信號則被衰減掉。第16頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.202317因此，將石英晶體串接在多諧振蕩器的回路中就可組成石英晶體振蕩器，這時，振蕩頻率只取決于石英晶體的固有諧振頻率fo，而與RC無關(guān)。圖5-21石英晶體振蕩器電路在對稱式多諧振蕩器的基礎(chǔ)上，串接一塊石英晶體，就可以構(gòu)成一個石英晶體振蕩器電路。該電路將產(chǎn)生穩(wěn)定度極高的矩形脈沖，其振蕩頻率由石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fo決定。

第17頁，講稿共19頁，2023年5月2日，星期三30.06.202318目前，家用電子鐘幾乎都采用具有石英晶體振蕩器的矩形波發(fā)生器。由于它的頻率穩(wěn)定度很高，所以走時很準。