CMOS门电路多谐振荡器

10.1.1 CMOS门电路组成的多谐振荡器结构和原理

一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图10.1.1所示。其原理图和工作波形分别如图10.1.2(a)、(b)所示。图(a)中D1、D2、D3、D4均为保护二极管。
为了讨论方便，在电路分析中，假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线，即开门电平(VON) 和关门电平(VOFF)相等，这个理想化的开门电平或关门电平称为门坎电平(或阈值电平)，记为Vth且设Vth=VDD/2。

(1)第一暂稳态及电路自动翻转的过程
假定在t=0时接通电源，电容C尚未充电，电路初始状态为vO1=VOH，
v1=vO2=VOL 状态，即第一暂稳态。此时，电源VDD经G1的TP管、R和G2的TN管给电容C充电，如图10.1.2(a)所示。随着充电时间的增加，v1的值不断上升，当v1达到Vth时，电路发生下述正反馈过程:

这一正反馈过程瞬间完成，使vO1=VOL vO2=VOH，电路进入第二暂稳态。

(2)第二暂稳态及电路自动翻转的过程
电路进入第二暂稳态瞬间，v02由0V上跳至VDD，由于电容两端电压不断突变，则v1也将上跳VDD，本应升至VDD+Vth ，但由于保护二极管的钳位作用，v1仅上跳至VDD+△V+。随后，电容C通过G2的TP、电阻R 和G1的TN放电，使v1下降，当v1降至Vth后，电路又产生如下正反馈过程：

从而使电路又回到第一暂稳态，vO1=VOH，vO2=VOL。此后，电路重复上述过程，周而复始的从一个暂稳态翻转到另一个暂稳态，在G2的输出端得到方波。
由上述分析不难看出，多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充、放电作用来实现的。　

10.1.2 振荡周期的计算
在振荡过程中，电路状态的转换主要取决于电容的充、放电，而转换时刻则取决于v1的数值。根据以上分析所得电路在状态转换时v1的几个特征值，可以计算出图10.1.2(b)中的 T1、T2的值。
(1)T1的计算
对应于第一暂稳态，将图10.1.2(b)中T1、T2作为时间起点，T1=t2-t1，v1(0+)=-△V-≈0V,v1(∞)=VDD,τ=RC。根据RC电路瞬态响应的分析，有(2)T2的计算
对应于图10.1.2(b)，在第二暂稳态，将t2作为时间起点，则有v1(0+)=VDD+△V+≈VDD，v1(∞)=0，τ=RC，由此可求出T2=RC所以将Vth=VDD/2代入，上式变为T=RCln4≈1.4RC 。　

图10.1.1是一种最简型多谐振荡器，上式仅适用于R>>RON(P)+RON(N)（其中，RON(P)、RON(N)分别为CMOS门中NMOS、PMOS管的导通电阻），c 远大于电路分布电容的情况。当电源电压波动时，会使振荡频率不稳定，在Vth≠VDD/2时，影响尤为严重。一般可在该图中增加一个补偿电阻 ,如图10.1.3所示。Rs可减小电源电压变化对振荡频率影响。当Vth=VDD/2时，取RS>>R(一般取RS=10R )。