取替 RC采用硅振蕩器定時(shí)更勝一籌

人們也許會(huì)說(shuō)，17 世紀(jì)是個(gè)野蠻殘暴的時(shí)代，就醫(yī)療技術(shù)而言，確實(shí)如此。因?yàn)槔戆l(fā)師就是外科醫(yī)師，多嚴(yán)重的問題也是他們來(lái)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(fù)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(duì)我們來(lái)說(shuō)，幸運(yùn)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(lái)解決“真正嚴(yán)重的問題”。理發(fā)師充當(dāng)外科醫(yī)師的悠久歷史很好地說(shuō)明了技術(shù)進(jìn)步的過程。誠(chéng)然，在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，生命周期有時(shí)非常短暫，我們沒有時(shí)間迷戀任何特定的技術(shù)。但是，對(duì)于古老的 RC 電路，情況卻不是這樣，數(shù) 10 年來(lái)，RC 電路一直是一種廣受歡迎的定時(shí)組件。你只需觀察一下 555 定時(shí)器使用的廣泛程度就夠了，依靠 RC 電路的 555 定時(shí)器發(fā)明至今已經(jīng)近 40 年了。即使最近幾年，新的 555 定時(shí)器版本仍然不斷在市場(chǎng)上出現(xiàn)。而且，不僅僅是 555 定時(shí)器，還有無(wú)數(shù)集成式器件依靠 RC 電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)，因?yàn)?RC 電路一直是最簡(jiǎn)單、最靈活和可編程度最高的選擇。但是，無(wú)論 RC 電路是如何實(shí)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(shí)器件的出現(xiàn)，上述情形就發(fā)生了改變。

也許最簡(jiǎn)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(dāng)電壓加在電阻器上時(shí)，電容器上的電壓響應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律：V_C = V_R (1-e^-t/)，當(dāng)電阻器接地時(shí)，電容器上的電壓響應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)類似但反向的指數(shù)規(guī)律：V_C = V_INITIAL(e^-t/)。這種簡(jiǎn)單和可預(yù)測(cè)的時(shí)間響應(yīng)使這種電路成為濾除噪聲、降低快速信號(hào)邊沿速度、保護(hù)設(shè)備輸入、避免競(jìng)態(tài)情況以及解決其他無(wú)數(shù)定時(shí)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(shí)際上也常常存在。

圖 1：

增加若干組件以后，具有可預(yù)測(cè)的充電和放電特性的 RC 電路就可用作電子定時(shí)組件了。RC 電路的一個(gè)良好特性是，可用來(lái)設(shè)定具有單穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的時(shí)序，如圖 2 所示。在單穩(wěn)態(tài)工作模式時(shí)，觸發(fā)器打開開關(guān)，電容器充電，當(dāng)電容器達(dá)到 2V 時(shí)，比較器使輸出復(fù)位。要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止排序或延遲一個(gè)事件等異步時(shí)序時(shí)，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(hào)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(gè)固定范圍內(nèi) (本例為 1V 到 2V 之間)。結(jié)果，只要保持對(duì)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(jiǎn)化的 555 電路說(shuō)明了如何利用 RC 電路

頻率和時(shí)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(zhǔn)確度、尺寸和成本之間進(jìn)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?yàn)?NP0 / COG 電容器的容量超過 1uF 以后，價(jià)格非常昂貴，所以設(shè)計(jì)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(jì)師應(yīng)該知道，雜散電容或柵電容會(huì)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(huì)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(duì)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(gè)不錯(cuò)的想法。但是，因?yàn)榛诎雽?dǎo)體的準(zhǔn)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(jìn)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(shí)，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(yuǎn)不會(huì)消失。

面對(duì)電容器受到的實(shí)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(huì)產(chǎn)生功耗后果，因?yàn)榇罅抗β世速M(fèi)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(shí)，兩個(gè)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(huì)限制最大電阻值。在有幾 nA 的雜散或偏置電流時(shí)，超過 10MΩ 的電阻器就會(huì)因?yàn)檫@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(gè)重要的誤差源。在定時(shí)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(shí)誤差²。就非穩(wěn)態(tài)工作模式而言，這個(gè)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(shuō)明了這種誤差源的影響。請(qǐng)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(diǎn)之一是能實(shí)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(shí)間調(diào)制和其他類型的動(dòng)態(tài)時(shí)間或頻率調(diào)制。很多應(yīng)用都需要這種能力：音調(diào)信號(hào)發(fā)生、加熱器控制、電動(dòng)機(jī)控制、脈沖發(fā)生 … 等等。專門論述用 555 型或其他 RC 電路實(shí)現(xiàn)這類應(yīng)用的網(wǎng)頁(yè)、書籍、文章和短文數(shù)不勝數(shù)，這也說(shuō)明需求是顯而易見的。無(wú)論是 555 定時(shí)器還是其他電路，用 RC 電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)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(lái)的是多種誤差，如上所述。最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)控制的方法需要使用電位器或可變電容器來(lái)調(diào)節(jié) RC 時(shí)間常數(shù)。實(shí)事求是地說(shuō)，大多數(shù)實(shí)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(bǔ)償很多誤差源。