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(wèn)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(zhuān)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(zhuān)門(mén)的醫(yī)療專(zhuān)家來(lái)解決“真正嚴(yán)重的問(wèn)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(guò)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(méi)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(lèi)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(jiàn)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(lèi)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(wèn)題的理想解決方案。即使沒(méi)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(kāi)開(kāi)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(lèi)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(guò) 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(lèi)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(wèn)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(wèn)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(jiàn)的選擇，因此外部電容器令人頭痛的諸多問(wèn)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(guò)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(guò) 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(guò) 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(mén)限誤差都被放大超過(guò) 2.5 倍。例如，±2% 的比較器門(mén)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(wèn)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(mén)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(lèi)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(zhuān)門(mén)論述用 555 型或其他 RC 電路實(shí)現(xiàn)這類(lèi)應(yīng)用的網(wǎng)頁(yè)、書(shū)籍、文章和短文數(shù)不勝數(shù)，這也說(shuō)明需求是顯而易見(jiàn)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(mén)限電壓或 RC 響應(yīng)曲線。伴隨比較器門(mén)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。

總之，由于一代又一代電子產(chǎn)品不斷提出更高的準(zhǔn)確度、功率和尺寸要求，因此 RC 電路的固有限制變得越來(lái)越明顯了。RC 電路一般不在高于 1MHz 的頻率上工作，RC 電路不準(zhǔn)確、消耗大量功率，而且可能比乍看之下更昂貴，尤其是付出大量努力以增強(qiáng)功能或提高性能時(shí)。

傳統(tǒng)上可替代定時(shí)電路的方法需要固定頻率晶體振蕩器。增強(qiáng)可編程性或異步功能需要增加電路。無(wú)論是用分立式組件還是通過(guò)設(shè)定微控制器來(lái)增強(qiáng)可編程性或異步功能，簡(jiǎn)單的定時(shí)應(yīng)用最終都變得復(fù)雜和不靈活了。就很多應(yīng)用而言，這絕對(duì)不是吸引的選擇。隨著硅振蕩器的出現(xiàn)，基于 RC 的定時(shí)器有了真正的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

硅振蕩器是徹底的固態(tài)器件，運(yùn)用通過(guò)電流控制的頻率鎖定伺服環(huán)路。該頻率控制電流可用單個(gè)電阻器設(shè)定，而且其可編程架構(gòu)也允許單穩(wěn)態(tài)工作³。用硅振蕩器作為基本的“定時(shí)引擎”取代 RC 電路后，可提供更簡(jiǎn)單、更靈活和可編程性更高的定時(shí)方法。

因?yàn)楣枵袷幤鞑灰蕾?lài)機(jī)械諧振組件，而且是用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 技術(shù)制造，所以它們具有很高的抗沖擊、抗振動(dòng)和抗磨損性。這也意味著，硅振蕩器可以集成其他功能，如頻率可編程性、多相輸出、擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制和智能啟動(dòng)電路。硅振蕩器可在 10kHz 至 170MHz 的頻率范圍內(nèi)工作，具有內(nèi)置分壓器，而且這個(gè)頻率范圍還可以擴(kuò)展到極低的頻率⁴。硅振蕩器的準(zhǔn)確度和功耗性能非常出眾。例如，凌力爾特公司的 LTC6906 在 10kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)具有高于 99% 的準(zhǔn)確度，同時(shí)吸取不到 80uA 的電流

圖 4：硅振蕩器“引擎”

凌力爾特公司最近推出了一個(gè)基于硅振蕩器的定時(shí)器件新系列，即 TimerBloxTM 系列。這些器件含有智能電路，可提供 5 種基本定時(shí)功能：電壓控制振蕩器 (VCO)、面向長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間定時(shí)的非常低頻率時(shí)鐘、脈沖寬度調(diào)制振蕩器 (PWM)、單脈沖發(fā)生器和延遲構(gòu)件。作為一個(gè)系列，這些器件涵蓋了 29uHz (9.5 小時(shí)) 至 2MHz 的工作范圍，具有 98% 或更高的典型頻率或時(shí)間準(zhǔn)確度。每個(gè) TimerBlox 器件提供 8 種單獨(dú)的工作頻率 / 時(shí)間范圍，可用一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器進(jìn)行選擇。一旦范圍選定，那么用戶(hù)就可以用 25kΩ 至 800kΩ 的單個(gè)電阻器設(shè)定準(zhǔn)確的頻率或時(shí)間。這種架構(gòu)允許 TimerBlox 系列器件涵蓋很寬的工作范圍，同時(shí)確保電阻器尺寸對(duì)總體準(zhǔn)確度或功耗產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì) (通過(guò)設(shè)定電流產(chǎn)生的雜散電流和功耗可以忽略不計(jì))。TimerBlox 系列器件在 2.25V 至 5.5V 的電源電壓范圍內(nèi)工作，電源電流范圍為 60uA 至 250uA，而且 TimerBlox 器件提供快速、首周期準(zhǔn)確的啟動(dòng)。20mA 輸出提供和吸收能力允許直接驅(qū)動(dòng)光隔離器和變壓器，以實(shí)現(xiàn)電氣隔離。TimerBlox 系列器件采用 SOT23 和纖巧的 DFN 封裝，所有器件都可在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)工作。所有這些特色都是為了確保 TimerBlox 系列器件提供最簡(jiǎn)單、靈活和可編程的定時(shí)解決方案。采用這些器件，設(shè)計(jì)師就不會(huì)面對(duì)利用 RC 電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)器或提供時(shí)鐘時(shí)所需的無(wú)情選擇了。RC 電路的作用現(xiàn)在可以縮回到一種更適中的水平，人們不再期望用 RC 電路應(yīng)對(duì)“真正嚴(yán)重的定時(shí)問(wèn)題”了。

圖 5：采用 TimerBlox 器件的典型應(yīng)用

1 如果考慮 CMOS 版本的 555 定時(shí)器僅吸取不到 100uA 的電源電流，那么 450uA 的電阻器電流就相當(dāng)大了。
2 值得一提的是，典型的 555 定時(shí)器的比較器門(mén)限誤差 > ±5%。
3 凌力爾特公司有些硅振蕩器包括內(nèi)置電流設(shè)定控制，從而無(wú)需外部設(shè)定電阻器。
4 凌力爾特公司的 LTC6991 提供非常低頻率的時(shí)鐘，能以 9.5 小時(shí)的定時(shí)間隔工作。