数电学习（十、脉冲波形的产生和整形）（二）

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脉冲电路分析方法

• ！！先定性，后定量
• 分析工作过程->画波形->找出决定电路状态转换的关键电压
• 画出这点电压充放电等效电路，化简
• 确定并修改充放电的几个关键值
• 计算充放电时间，求出所需要的结果

多谐振荡器

引言

• 单稳态是产生一个脉冲，但是用的更多的是产生一串脉冲
• 正弦波加一个施密特就是方波了，那我可不可以直接产生方波？这就是多谐振荡器
• 自激振荡，不需要外加触发信号

环形振荡电路

• 先看最简单的环形振荡电路
  
• 两个反相器首位相连是触发器，三个反相器首位相连就是这个
• 三个反相器就是一个负反馈了（强化一下模电的概念，正负反馈并不判断系统是否稳定的标准，如果是幅值较大的负反馈一样震荡）
• 这个电路工作起来就考虑Tpd，有n个反相器，周期就是2n个Tpd（n必须是奇数）
  
• 能够工作的关键有两个：负反馈和传输延迟时间
• ！！能用但是不好用，原因在于周期长度太不靠谱了，因为硬件的Tpd是不可控的

第一步：增加RC积分环节，加大Tpd2

• 虽然经过了三极反相，但是想让时间由中间确定，取决于RC积分环节
• ！！但是上电之后，周期和RC无关。因为上电之后C始终是高于Vth的
• 第一个周期到Vth，然后充三个Tpd，然后下个周期放电，放到Vth，然后又开始变化
• 分析工作周期（大概）：
  （1）到Vth会继续往上充3个Tpd
  （2）然后放电6个Tpd（两部分，刚刚多充的3个Tpd和Vth之下准确的3个Tpd）
  （3）充电环节也是6个Tpd
  （4）只能说大致的工作周期是12个Tpd，与RC无关

第二步：增为获取更大延迟，将C的接地端改至G1输出端

• 刚上电，电容上没有电荷，电容两端都是低电平，此时G3的输出和G1的输入都是高电平
• 电容的左边接到了一个门电路的输出，固定在了低电平
• 如果Vi3是低电平，Vo2是高电平，那么就会有电流流过R，开始给C充电，慢慢把Vi3的电压抬高，流过R的电流越来越小，直到稳态
• 充电充到Vth后，Vi3变成高电平，Vo变成低电平，Vi2变成高电平，这时因为电容两端电压不能突变，Vi3变成Vth+Voh-Vol，此时电路状态会保持，但是此时Vo2变成了低电平，所以Vi3和Vo2之间有压差，形成电流，C开始放电
• 当放电放到Vth时，同样的道理，Vo2变成高电平，Vi3受到C耦合，，变成Vth-（Voh-Vol）
• 得到波形图
  
• RC环节决定了主要的电路时间常数，只关心RC环节，所以把和C相连的两端打开
  
• 这个电路为什么能跳上去跳下来，原因在于Rs，它能解除钳位，如果把Rs抹去，（TTL电路只有输入低电平的保护），所以只能跳到-0.7，但是不影响上跳

用施密特触发器构成的多谐振荡器

• CMOS工艺
• 看上去感觉是一个振荡器，原因是没有外界的输入
• 电路刚上电的时候，电容上没有电荷，Vi=0，Vo=1，这时输出的高电平给C充电，充到Vt+
• 如果输出变成低电平，那么C就会放电，放到Vt-
• 所以电路始终在Vt+和Vt-之间跳变
  
• 振荡周期为
  
• 振荡产生原因就是有Vt+和Vt-的存在
• 问题：由于整个电路都走的RC，那么我输出的占空比不可调
• 改进：利用二极管的单向导电性
  
• 由于二极管的存在，充放电走不同的回路，虽然走的是同样的C，时间常数也可调，可以分别调节T1和T2

对称式多谐振荡器

工作原理（TTL）

• 如果电路不震荡，意味着电路静态，静态当中，电容相当于断路，把左下角打开

• 上电之后反相器的输入输出曲线和跨接的反馈电阻的工作曲线如下图：
  
• 但是由于不是CMOS器件，输出对外来讲会驱动反馈电阻，由于跨接，Vcc和Vo之间又形成了一个回路，就是一个简单的分压
  （1）静态（未振荡）时应是不稳定的
  （2）由于“扰动”使Vi1有微小的抬高，则有：
  
  产生了一个正反馈，会有一个加速的过程，加速的结果就是Vo2迅速跳变为高，Vo1迅速跳变为低，电路进入第一个暂稳态，C1开始充电，C2开始放电（在本门课，如果过渡过程引起门电路输入电压升高叫充电）（在分析的时候，门电路的输出都是信号源，而输入都是看着。在这个过程当中，Vo2是高电平是由于前面是低电平，而Vo1的低电平是由于前面是高电平）
  
  （3）假设由于充电有两个回路，所以认为冲得快。当Vi2充到Vth时，再升高会引起以下正反馈：
  
  正反馈使Vo1迅速变高，Vo2跳变为低，电路进入第二个暂稳态，C2开始充电，C1开始放电
  
  （4）电路会始终在这两个状态来回切换
  
  （5）T=Vi1从充电开始到充至Vth的时间+Vi2从充电开始到充至Vth的时间：
  
  （6）为了确定时间常数，需要把电路打开：
  
  只看（a），左边接的低电平，所以充电电阻应该使R1和Rf2并联。Vi2的稳态应该使Vcc和三极管的叠加
  
• 只有充电起了关键作用，占空比百分之五十。
• 问题：电路有点浪费，因为两个电容都有过渡过程但是只有一个过渡过程起到了作用，还有一个电容是起了耦合的作用

对称式多谐振荡器

• 把RC去掉了一个，G1和G2之间直接导线耦合

工作原理（CMOS门）

• 如果电路不震荡，意味着电路静态，静态当中，电容相当于断路，Vi1和Vo1之间就会存在下面的直线（因为CMOS不取电流，所以虽然反馈接的电阻，但是仍然是一条线的作用）
  
• 所以工作点在P点，显然不稳定
  （1）由于“扰动”使Vi1有微小的升高，则有：
  

Vo1迅速变低，Vo2迅速升高，电路进入第一个暂稳态，C开始放电，Vi1下降
（2）当Vi1下降到Vth时，有：

Vo1迅速变高，Vo2迅速变低，电路进入第二个暂稳态，C开始充电，Vi1升高
（3）当Vi1升高到Vth，又回到第一个暂稳态

• Rt是解除约束的电阻，如果去掉，上面不能高过Vth+0.7，下面不能低于-0.7
• 围绕电容两端把电路打开
  
• 门电路的输出当成有内阻的电压源，CMOS门输出的高低电平就当成电源电平和地，通过管子上拉或者下拉，这个上拉和下拉的导通电阻就是电压源的内阻

石英晶体多谐振荡器

• 平时用到的时钟源好像都不是我们讲到的这些
• 原因是之前讲的周期都是关于RC的计算，但是电阻电容都有精度（这也是为什么模拟电路说电容的容差，软故障很难区分，就是这个原因），如果用RC过渡过程来计算时间的话，频率的精准度是成问题的
• ！！！！并不是说石英晶体本身能产生方波
  
• 由特性曲线可知，石英晶体每块都一个自己的特定频率，在这个频率上它的阻抗是0，也就是如果把这个东西放在电路中，只有这个频率的信号能通过它，其他的频率都衰减，换句话讲，石英晶体多谐振荡器其实是一个选频器件
• 方波的主频取决于基频的正弦波，再往上叠加，多次谐波叠加，5-7次就很像方波了
  
• 把石英晶体振荡器放在电路中，这时整个电路的主频就取决于它，！！但是注意，它选出来的波形不是方波是正弦，再加一级施密特就处理成方波了