10.1.1 CMOS門電路組成的多諧振蕩器結(jié)構(gòu)和原理

一種由CMOS門電路組成的多諧振蕩器如圖10.1.1所示。其原理圖和工作波形分別如圖10.1.2(a)、(b)所示。圖(a)中D1、D2、D3、D4均為保護(hù)二極管。
為了討論方便，在電路分析中，假定門電路的電壓傳輸特性曲線為理想化的折線，即開門電平(VON) 和關(guān)門電平(VOFF)相等，這個(gè)理想化的開門電平或關(guān)門電平稱為門坎電平(或閾值電平)，記為Vth且設(shè)Vth=VDD/2。

(1)第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的過程
假定在t=0時(shí)接通電源，電容C尚未充電，電路初始狀態(tài)為vO1=VOH，
v1=vO2=VOL 狀態(tài)，即第一暫穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，電源VDD經(jīng)G1的TP管、R和G2的TN管給電容C充電，如圖10.1.2(a)所示。隨著充電時(shí)間的增加，v1的值不斷上升，當(dāng)v1達(dá)到Vth時(shí)，電路發(fā)生下述正反饋過程:

這一正反饋過程瞬間完成，使vO1=VOL vO2=VOH，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)。

(2)第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的過程
電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)瞬間，v02由0V上跳至VDD，由于電容兩端電壓不斷突變，則v1也將上跳VDD，本應(yīng)升至VDD+Vth ，但由于保護(hù)二極管的鉗位作用，v1僅上跳至VDD+△V+。隨后，電容C通過G2的TP、電阻R 和G1的TN放電，使v1下降，當(dāng)v1降至Vth后，電路又產(chǎn)生如下正反饋過程：

從而使電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)，vO1=VOH，vO2=VOL。此后，電路重復(fù)上述過程，周而復(fù)始的從一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在G2的輸出端得到方波。
由上述分析不難看出，多諧振蕩器的兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換過程是通過電容C充、放電作用來實(shí)現(xiàn)的。　

10.1.2 振蕩周期的計(jì)算
在振蕩過程中，電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換主要取決于電容的充、放電，而轉(zhuǎn)換時(shí)刻則取決于v1的數(shù)值。根據(jù)以上分析所得電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)v1的幾個(gè)特征值，可以計(jì)算出圖10.1.2(b)中的 T1、T2的值。
(1)T1的計(jì)算
對(duì)應(yīng)于第一暫穩(wěn)態(tài)，將圖10.1.2(b)中T1、T2作為時(shí)間起點(diǎn)，T1=t2-t1，v1(0+)=-△V-≈0V,v1(∞)=VDD,τ=RC。根據(jù)RC電路瞬態(tài)響應(yīng)的分析，有(2)T2的計(jì)算
對(duì)應(yīng)于圖10.1.2(b)，在第二暫穩(wěn)態(tài)，將t2作為時(shí)間起點(diǎn)，則有v1(0+)=VDD+△V+≈VDD，v1(∞)=0，τ=RC，由此可求出T2=RC所以將Vth=VDD/2代入，上式變?yōu)門=RCln4≈1.4RC 。　

圖10.1.1是一種最簡型多諧振蕩器，上式僅適用于R>>RON(P)+RON(N)（其中，RON(P)、RON(N)分別為CMOS門中NMOS、PMOS管的導(dǎo)通電阻），c 遠(yuǎn)大于電路分布電容的情況。當(dāng)電源電壓波動(dòng)時(shí)，會(huì)使振蕩頻率不穩(wěn)定，在Vth≠VDD/2時(shí)，影響尤為嚴(yán)重。一般可在該圖中增加一個(gè)補(bǔ)償電阻 ,如圖10.1.3所示。Rs可減小電源電壓變化對(duì)振蕩頻率影響。當(dāng)Vth=VDD/2時(shí)，取RS>>R(一般取RS=10R )。