取替 RC采用硅振蕩器定時更勝一籌

人們也許會說，17 世紀是個野蠻殘暴的時代，就醫(yī)療技術(shù)而言，確實如此。因為理發(fā)師就是外科醫(yī)師，多嚴重的問題也是他們來解決。他們的解決辦法常常是外科手術(shù)，而且不用消毒劑和麻醉劑。理發(fā)師是專家，負責(zé)去掉妨礙人們健康的任何東西：頭發(fā)、牙齒、附屬器官、活命的體液，等等。對我們來說，幸運的是，理發(fā)師的從業(yè)范圍已經(jīng)縮小到了比較適中的水平，現(xiàn)在由專門的醫(yī)療專家來解決“真正嚴重的問題”。理發(fā)師充當外科醫(yī)師的悠久歷史很好地說明了技術(shù)進步的過程。誠然，在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，生命周期有時非常短暫，我們沒有時間迷戀任何特定的技術(shù)。但是，對于古老的 RC 電路，情況卻不是這樣，數(shù) 10 年來，RC 電路一直是一種廣受歡迎的定時組件。你只需觀察一下 555 定時器使用的廣泛程度就夠了，依靠 RC 電路的 555 定時器發(fā)明至今已經(jīng)近 40 年了。即使最近幾年，新的 555 定時器版本仍然不斷在市場上出現(xiàn)。而且，不僅僅是 555 定時器，還有無數(shù)集成式器件依靠 RC 電路實現(xiàn)定時，因為 RC 電路一直是最簡單、最靈活和可編程度最高的選擇。但是，無論 RC 電路是如何實現(xiàn)的，使用 RC 電路總是伴隨著諸多限制?，F(xiàn)在，隨著一類新的和基于硅振蕩器技術(shù)的定時器件的出現(xiàn)，上述情形就發(fā)生了改變。

也許最簡單、最常見的電子電路是電阻器和電容器串聯(lián)后連接到地所形成的電路。如圖 1 所示，當電壓加在電阻器上時，電容器上的電壓響應(yīng)會呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律：V_C = V_R (1-e^-t/)，當電阻器接地時，電容器上的電壓響應(yīng)會呈現(xiàn)類似但反向的指數(shù)規(guī)律：V_C = V_INITIAL(e^-t/)。這種簡單和可預(yù)測的時間響應(yīng)使這種電路成為濾除噪聲、降低快速信號邊沿速度、保護設(shè)備輸入、避免競態(tài)情況以及解決其他無數(shù)定時問題的理想解決方案。即使沒有給電路添加電阻器或電容器，由于走線或連線中的電阻，這種電路實際上也常常存在。

圖 1：

增加若干組件以后，具有可預(yù)測的充電和放電特性的 RC 電路就可用作電子定時組件了。RC 電路的一個良好特性是，可用來設(shè)定具有單穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的時序，如圖 2 所示。在單穩(wěn)態(tài)工作模式時，觸發(fā)器打開開關(guān)，電容器充電，當電容器達到 2V 時，比較器使輸出復(fù)位。要實現(xiàn)啟動、停止排序或延遲一個事件等異步時序時，單穩(wěn)態(tài)工作是必需的。在非穩(wěn)態(tài)工作模式，反饋信號不斷改變電容器的充電和放電方向，保持電容器電壓在一個固定范圍內(nèi) (本例為 1V 到 2V 之間)。結(jié)果，只要保持對電路的供電，就能產(chǎn)生連續(xù)的脈沖串，或者形成振蕩器。

圖 2：簡化的 555 電路說明了如何利用 RC 電路

頻率和時間的可編程性是 RC 電路的關(guān)鍵特性，而且取決于工程師是否能找到合適的電阻器和電容器組合。不同尺寸和類型的電容器很多，但是需要在準確度、尺寸和成本之間進行權(quán)衡。使用 NP0/COG 型電容器可得到最佳容限為 1-2%。但是因為 NP0 / COG 電容器的容量超過 1uF 以后，價格非常昂貴，所以設(shè)計師有可能折中使用容限為 5% 或更差的電容器，5% 容限是其他類型電容器的典型值。就非常小的電容值而言，設(shè)計師應(yīng)該知道，雜散電容或柵電容會引起誤差。例如，在圖 2 中，比較器輸入端僅存在幾 pF 的電容，就會引起 1% 的誤差。除了這些問題，可能還存在其他電容器誤差源，如 ESR、溫度系數(shù)和泄漏電流。面對所有這些電容器問題，在半導(dǎo)體芯片中集成 RC 電容器似乎是個不錯的想法。但是，因為基于半導(dǎo)體的準確電容器需要占用很大的芯片面積 (即使采用非常小的電容值)，并需要進行大量微調(diào)，所以這是一種昂貴的解決方案。由于 RC 值選擇范圍和較高成本的限制，在采用 RC 電路時，這不是一種常見的選擇，因此外部電容器令人頭痛的諸多問題也許永遠不會消失。

面對電容器受到的實際限制，電阻器的選擇變得更加關(guān)鍵了，不過電阻器也受到一些限制。如果 RC 電路的電阻非常小，就會產(chǎn)生功耗后果，因為大量功率浪費在電阻器上了。例如，圖 2 中的 RC 電路吸取超過 1mA 的峰值電流，而且在非穩(wěn)態(tài)工作 (振蕩器) 模式時，兩個外部電阻器本身就吸取了 450uA 的平均電流¹。另一方面，表面泄漏和輸入偏置電流會限制最大電阻值。在有幾 nA 的雜散或偏置電流時，超過 10MΩ 的電阻器就會因為這些電流產(chǎn)生可觀的誤差。

假定可獲得合適的電阻器和電容器，但是由于充電和放電響應(yīng)曲線的非線性，RC 電路中仍然還有另一個重要的誤差源。在定時響應(yīng)中，任何比較器門限誤差都被放大超過 2.5 倍。例如，±2% 的比較器門限誤差產(chǎn)生大約 ±5.4% 的定時誤差²。就非穩(wěn)態(tài)工作模式而言，這個問題不僅以頻率誤差的形式顯現(xiàn)，而且還導(dǎo)致占空比誤差。圖 3 說明了這種誤差源的影響。請注意，指數(shù)響應(yīng)曲線的內(nèi)在誤差由具有線性響應(yīng)曲線的硅振蕩器消除了。

圖 3：由比較器門限變化引起的 RC 電路誤差

可編程性的優(yōu)點之一是能實現(xiàn)電壓控制的調(diào)制 (VCO)、脈沖寬度調(diào)制 (PWM)、脈沖持續(xù)時間調(diào)制和其他類型的動態(tài)時間或頻率調(diào)制。很多應(yīng)用都需要這種能力：音調(diào)信號發(fā)生、加熱器控制、電動機控制、脈沖發(fā)生 … 等等。專門論述用 555 型或其他 RC 電路實現(xiàn)這類應(yīng)用的網(wǎng)頁、書籍、文章和短文數(shù)不勝數(shù)，這也說明需求是顯而易見的。無論是 555 定時器還是其他電路，用 RC 電路實現(xiàn)定時需要調(diào)節(jié)比較器門限電壓或 RC 響應(yīng)曲線。伴隨比較器門限調(diào)節(jié)而來的是多種誤差，如上所述。最簡單的實現(xiàn)控制的方法需要使用電位器或可變電容器來調(diào)節(jié) RC 時間常數(shù)。實事求是地說，大多數(shù)實現(xiàn)方法都需要大量額外電路 (如閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò))，以補償很多誤差源。