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CMOS门电路组成的多谐振荡器

时间:2022-01-14 08:40 浏览:9次 电路大全 CMOS门电路 多谐振荡器

CMOS门电路组成的多谐振荡器

多谐振荡器是一种自激振荡器电路,该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波,故称为多谐振荡器。另外多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态,故又称为无稳态电路。由门电路组成的多谐振荡器有多种电路形式,但它们均具有如下共同特点: 首先,电路中含有开关器件,如门电路、电压比较器、BJT 等。这些器件主要用来产生高、低电平;其次,具有反馈网络, 将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态;另外,还有延迟环节,利用RC电路的充、放电特性可实现延时,以获得所需要的振荡频率。在许多实用电路中,反馈网络兼有延时作用。

1、CMOS门电路组成的多谐振荡器结构和原理
一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图1所示。其原理图和工作波形分别如图2(a)、(b)所示。图(a)中D1、D2、D3、D4均为保护二极管。为了讨论方便,在电路分析中,假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线,即开门电平(VON) 和关门电平(VOFF)相等,这个理想化的开门电平或关门电平称为门坎电平(或阈值电平),记为Vth且设Vth=VDD/2。(1)第一暂稳态及电路自动翻转的过程假定在t=0时接通电源,电容C尚未充电,电路初始状态为vO1=VOh,v1=vO2=VOL 状态,即第一暂稳态。此时,电源VDD经G1的Tp管、R和G2的TN管给电容C充电,如图2(a)所示。随着充电时间的增加,v1的值不断上升,当v1达到Vth时,电路发生下述正反馈过程: 图1 由CMOS门电路组成的多谐振荡器

这一正反馈过程瞬间完成,使vO1=VOLvO2=VOh,电路进入第二暂稳态。

(a)多谐振荡器原理图 (b)多谐振荡器波形图
图2 多谐振荡器原理图和波形
(2)第二暂稳态及电路自动翻转的过程 电路进入第二暂稳态瞬间,v02由0V上跳至VDD,由于电容两端电压不断突变,则v1也将上跳VDD,本应升至VDD+Vth ,但由于保护二极管的钳位作用,v1仅上跳至VDD+△V+。随后,电容C通过G2的Tp、电阻R 和G1的TN放电,使v1下降,当v1降至Vth后,电路又产生如下正反馈过程:
从而使电路又回到第一暂稳态,vO1=VOh,vO2=VOL。此后,电路重复上述过程,周而复始的从一个暂稳态翻转到另一个暂稳态,在G2的输出端得到方波。由上述分析不难看出,多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充、放电作用来实现的。 2、 振荡周期的计算 在振荡过程中,电路状态的转换主要取决于电容的充、放电,而转换时刻则取决于v1的数值。根据以上分析所得电路在状态转换时v1的几个特征值,可以计算出图2(b)中的 T1、T2的值。(1)T1的计算 对应于第一暂稳态,将图2(b)中T1、T2作为时间起点,T1=t2-t1,v1(0+)=-△V-≈0V,v1(∞)=VDD,τ=RC。根据RC电路瞬态响应的分析,有(2)T2的计算 对应于图2(b),在第二暂稳态,将t2作为时间起点,则有v1(0+)=VDD+△V+≈VDD,v1(∞)=0,τ=RC
由此可求出T2=RC,所以  图3 加补偿电阻的CMOS多谐振荡器
Vth=VDD/2代入,上式变为T=RCln4≈1.4RC 。 
图1是一种最简型多谐振荡器,上式仅适用于R>>RON(p)+RON(N)(其中,RON(p)、RON(N)分别为CMOS门中NMOS、pMOS管的导通电阻),c 远大于电路分布电容的情况。当电源电压波动时,会使振荡频率不稳定,在Vth≠VDD/2时,影响尤为严重。一般可在该图中增加一个补偿电阻 ,如图3所示。Rs可减小电源电压变化对振荡频率影响。当Vth=VDD/2时,取RS>>R(一般取RS=10R )。
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