环形振荡器原理及应用_环形振荡器的实用电路

什么是环形振荡器

环形振荡器，是由三个非门或更多奇数个非门输出端和输入端首尾相接，构成环状的机器。

以三个非门为例，即非门A输出端连接到非门B输入端，非门B输出端连接到非门C输入端，非门C输出端到连接非门A输入端，在其中任何一个连接的位置都可以引出输出信号。

环形振荡器原理

环形振荡器是利用门电路的固有传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而成，该电路没有稳态。因为在静态（假定没有振荡时）下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平，只能处于高、低电平之间，处于放大状态。

假定由于某种原因v11产生了微小的正跳变，经G1的传输延迟时间tpd后，v12产生了一个幅度更大的负跳变，在经过G2的传输延迟时间tpd后，使v13产生更大的正跳变，经G3的传输延迟时间tpd后，在vo产生一个更大的负跳变并反馈到G1输入端。可见，在经过3tpd后，v11又自动跳变为低电平，再经过3tpd之后，v11又将跳变为高电平。如此周而复始，便产生自激振荡。如图2所示，可见振荡周期为T=6tpd

环形振荡器的实用电路

如图1，为了进一步加大RC和G2的传输延迟时间，在实用电路中将电容C 的接地端改接G1的输出端。如图2所示。例如当v12处发生负跳变时，经过电容C使v13首先跳变到一个负电平，然后再从这个负电平开始对电容C充电，这就加长了v13从 开始充电到上升为VTH的时间，等于加大了v12到v13的传输延迟时间。

图4 环形振荡器的实用改进电路图

通常RC电路产生的延迟时间远远大于门电路本身的传输延迟时间，所以在计算振荡周期时可以只考虑RC电路的作用而将门电路固有的传输延迟时间忽略不计。

另外，为防止v13发生负跳变时流过反 相器G3输入端钳位二极管的电流过大，还在G3输入端串接了保护电阻RS。电路中各点的电压波形如图2所示。

式T≈2.2RC可用于近似估算振荡周期。但使用时应注意它的假定条件是否满足，否则计算结果会有较大的误差。

环形振荡器应用

这种振荡器的特点是线路简单，起振容易，如果不加延迟网络则不需要阻容元件，便于集成化，缺点是没有延迟网络频率不便于灵活选择，要实现低频振荡需要很多的非门因而不易实现，另外由于门电路延迟时间有一定误差，制作时频率不太准确。

如果加上阻容网络，则与同样需要阻容元件的对称多谐振荡器或非对称多谐振荡器相比，所需芯片面积和成本不占优势。主要应用于集成电路内部集成的要求不高的高频振荡，以及普通数字电路中的简易振荡器。