用门电路实现的多谐振荡器

一、不对称式多谐振荡器

1.电路组成及工作原理

由CMOS门电路和RC定时电路组成的不对称式多谐振荡器如图7.4.1所示。由于G1和G2的外部电路不对称，所以又称为不对称式多谐振荡器。为了使电路产生振荡，要求G1和G2都工作在电压传输特性的转折区，即工作在放大区，。

图7.4.1　CMOS不对称式多谐振荡器

其具体工作原理如下：

（1）第一暂稳态及电路自动翻转过程。

在接通电源后，由于G1和G2都工作在转折区，由于电源电压变化和干扰等影响，假如使uI1有微小下降时，就会产生下列正反馈过程

结果使G1迅速截止、G2迅速饱和，uO1迅速跳至高电平VDD、uO2迅速跳至低电平0V，即uO1＝1，uO2＝0，电路进入第一暂稳态。由于电容两端的电压不能突变，uI1也应与uO2下跳同样的幅度，uI1本应降至UTH－VDD，但由于G1内部下面保护二极管的钳位作用，uI1实际仅上跳至－UD（on）≈0V。随后，uO1的高电平经RF、C和G2的输出电阻（此时因导通很小）从左向右对电容C进行充电，此时uI1＝uC，使uI1随之按指数规律上升。

（2）第二暂稳态及电路自动翻转过程。

当uI1上升到UTH时，会产生下列正反馈过程

结果使G1迅速饱和、G2迅速截止，uO1迅速跳至低电平0V、uO2迅速跳至高电平VDD，即uO1＝0，uO2＝1，电路进入第二暂稳态。由于电容两端的电压不能突变，uI1也应与uO2上跳同样的幅度，uI1本应升至VDD＋UTH，但由于G1内部上面保护二极管的钳位作用，uI1实际仅上跳至VDD＋UD（on）≈VDD。随后，uO2的高电平经C、RF和G1的输出电阻（此时因导通很小）从右向左对电容C进行反向充电（即C放电），此时uI1＝VDD－uC，使uI1随之按指数规律下降。

（3）返回过程。

当uI1下降到UTH时，G1迅速截止、G2迅速饱和，uO1＝1，uO2＝0，电路返回第一个暂稳态。

从分析不难看出，多谐振荡器两个暂稳态的转换过程是通过对电容C的充放电作用来实现的，电容的充、放电作用又集中体现在uI1的变化上。上述原理分析过程对应的工作波形如图7.4.2所示。

图7.4.2　不对称式多谐振荡器的工作波形

2.振荡周期的计算

多谐振荡器的振荡周期与两个暂稳态时间有关，两个暂稳态时间分别由电容的充、放电时间决定。设电路的第一暂稳态和第二暂稳态时间分别为T1、T2，根据上述原理分析和RC电路过渡过程的时间间隔公式（7.2.2）可得：

二、对称式多谐振荡器(www.xing528.com)

1.电路组成及工作原理

由TTL门电路和RC定时电路组成的对称式多谐振荡器如图7.4.3所示。由于G1和G2的外部电路完全对称，所以又称为对称式多谐振荡器。合理选择RF1和RF2，使G1和G2都工作在电压传输特性的转折区，即工作在放大区。

图7.4.3　TTL对称式多谐振荡器

其具体工作原理如下：

（1）第一暂稳态及电路自动翻转过程。

在接通电源后，由于G1和G2都工作在转折区，由于电源电压变化和干扰等影响，假如使uI1有微小上升时，就会产生下列正反馈过程

结果使G1迅速饱和，uO1迅速跳至低电平UOL；由于电容C1两端的电压不能突变，uI2也随之下跳变，但由于G2内部下面保护二极管的钳位作用，uI2实际仅下跳至－UD（on）≈－0.7V，使G2迅速截止，uO2迅速跳至高电平UOH；由于电容C2两端的电压不能突变，uI1跳变同样的幅度，uI1＝UTH＋（UOH－UOL）（TTL集成门电路内部上面不需要保护二极管）；即uO1＝0，uO2＝1，电路进入第一暂稳态。随后，uO2的高电平经RF2、C1和G1的输出电阻从右向左对电容C1进行充电，且此时VCC通过G2内部电阻对电容C1充电，此时uI2＝uC1，使uI2随之按指数规律很快上升。同时，uO2的高电平经C2、RF1和G1的输出电阻（此时因导通很小）从右向左对电容C2进行反向充电（即放电），此时uI1＝UOH－uC2，使uI1随之按指数规律下降。

（2）第二暂稳态及电路自动翻转过程。

由于集成门电路内电路的影响，C1的充电比C2的放电快，当uI2首先上升到UTH时，会产生另一个正反馈过程

结果使G2迅速饱和，uO2迅速跳至低电平UOL，由于电容C2两端的电压不能突变，uI1也随之下跳变，但由于G1内部保护二极管的钳位作用，uI1实际仅下跳至－UD（on）≈－0.7V；使G1迅速截止，uO1迅速跳至高电平UOH；由于电容C1两端的电压不能突变，uI2跳变同样的幅度，uI2＝UTH＋（UOH－UOL），即uO1＝1，uO2＝0，电路进入第二暂稳态。随后，uO1的高电平经RF1、C2和G2的输出电阻（此时因导通很小）从左向右对电容C2进行充电，且此时VCC通过G1内部电阻对电容C2充电，uI1＝uC2，使uI1随之按指数规律很快上升。同时，uO1的高电平经C1、RF2和G2的输出电阻从左向右对电容C1进行反向充电（即C1放电），此时uI2＝UOH－uC1，使uI2随之按指数规律下降。

（3）返回过程。

同理，充电比放电快，uI1首先上升到UTH时，G1迅速饱和、G2迅速截止，即uO1＝0，uO2＝1，电路返回第一个暂稳态。

上述原理分析过程对应的工作波形如图7.4.4所示。

图7.4.4　对称式多谐振荡器的工作波形

2.振荡周期的计算

多谐振荡器的振荡周期与两个暂稳态时间有关，两个暂稳态时间分别由电容C1和C2的充、放电时间决定。设电路的第一暂稳态和第二暂稳态时间分别为 T1、 T2。

当取 TTL电路的 UOH＝3.6V、UOL＝0.3V、 UTH＝1.4V、 RF1＝RF2＝RF、C1＝C2＝C， 设内部保护二极管的导通电压UD（on）＝0.7V，根据上述原理分析和RC电路过渡过程的时间间隔公式（7.2.2）可得：