使用反相器的rc振荡电路

多谐振荡器是一种自激振荡电路，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波或方波。由于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。

一、门电路组成的多谐振荡器

1. 电路组成及工作原理　　

由门电路组成的多谐振荡器的特点：

²        产生高、低电平的开关器件，如门电路、电压比较器、BJT等

²        具有反馈网络，将输出电压恰当的反馈给开关器件使之改变输出状态

²       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，反馈网络兼有延时的作用）

一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图6.1所示。

图6.1由CMOS门电路组成的多谐振荡器

其原理图和工作波形图分别如图6.2a、b所示。

 

　　　　　　　　　（a）多谐振荡器原理图              　　　　　　　　         （b）多谐振荡器波形图

图6.2多谐振荡器原理图和波形图

图a中D 1 、D 2 、D 3 、D 4 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：

 为开门电平，  为关门电平，  为门坎电平（阈值电平）。

(1)第一暂稳态及电路自动翻转的过程

假定在  时接通电源，电容C尚未充电，电路初始状态，即第一暂稳态

 =  ，  =  = 

此时，电源  经G1 的Tp 管、R和G2 的TN 管给电容C充电，如图6.2(a)所示。随着充电时间的增加，  的值不断上升，当  达到  时，电路发生下述正反馈过程：

这一正反馈过程瞬间完成，使G１ 导通，G２ 截止，电路进入第二暂稳态

 =  ，  =  。 

（2）第二暂稳态及电路自动翻转的过程

电路进入第二稳态瞬间，  由0 V上跳至  ，由于电容两端电压不能突变，则  也将上跳  ，本应升至V DD +V th ，但由于保护二极管的钳位作用，  仅上跳至  。随后，电容C通过  的  、电阻  和  的T N 放电，使  下降，当v I 降至  后，电路又产生如下正反馈过程：

从而使  迅速截止，  迅速导通，电路又回到第一暂稳步态，  ，  。此后，电路重复上述过程，周而复始地从一个稳态翻转到另一个暂稳态，在  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，电容的充、放电作用又集中体现在图中  的变化上。因此，在分析中要着重注意  的波形。

2.振荡周期的计算

		状态转换：主要取决于电容的充、放电
振荡过程中
		转换时刻：决定于  的数值

根据以上分析所得电路在状态转换时  的几个特征值，可以计算出图6. 2(b)中的T1 、T2 值。

（1）T１ 的计算

对应于第一暂稳态，将图6.2(b)中t１ 作为时间起点,

    ，  ,  ，  。

根据RC电路瞬态响应的分析，有

（2）  的计算

对应于图6.2(b),在第二暂稳态，将  作为时间起点，

 ，  ， 

由此可求出          

所以         

将  代入，上式变为  

图6.1是一种最简型多谐振荡器,上式仅适于  »  [  、  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  时，影响尤为严重。一般可在图6.1中增加一个补偿电阻  ，如图6.3所示。  可减小电源电压变化对振荡频率的影响。当  时，取  »  （一般取  ）。

图6.3  加补偿电阻的CMOS多谐振荡器