CD4047B：低功耗单稳态/无稳态多谐振荡器的设计与应用

在电子设计领域，多谐振荡器是一种常见且重要的电路元件，它能产生方波信号，广泛应用于各种数字设备中。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的CD4047B，一款CMOS低功耗单稳态/无稳态多谐振荡器，它具有高电压额定值（20V），在众多应用场景中表现出色。

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一、CD4047B的基本特性

1. 功能概述

CD4047B由一个可门控的无稳态多谐振荡器组成，采用逻辑技术，允许正或负边沿触发的单稳态多谐振荡器动作，还具备重触发和外部计数选项。其输入包括+TRIGGER、-TRIGGER、ASTABLE、ASTABLE、RETRIGGER和EXTERNAL RESET，缓冲输出为Q、Q和OSCILLATOR。

2. 特点总结

• 低功耗：采用特殊的CMOS振荡器配置，有效降低功耗。
• 两种工作模式：支持单稳态（单次触发）或无稳态（自由运行）操作。
• 输出形式：提供真和互补缓冲输出。
• 外部元件需求少：仅需一个外部电阻R和电容C。
• 缓冲输入：增强信号稳定性。
• 参数特性：在20V时对静态电流进行100%测试，具有标准化、对称的输出特性，以及5V、10V和15V的参数额定值，符合JEDEC暂行标准No.13B。

二、工作模式及原理

1. 无稳态模式

在无稳态模式下，通过在ASTABLE输入上施加高电平或低电平，或两者同时施加，可使电路进入工作状态。Q和Q输出端的方波周期是所使用的外部元件的函数，典型周期为$t_A(10,11)=4.40 RC$ 或$t_A(13)=2.20 RC$。此外，“True”输入脉冲或“Complement”脉冲可使电路用作可门控多谐振荡器，OSCILLATOR输出周期在无稳态模式下将是Q端输出的一半，但不能保证50%的占空比。

2. 单稳态模式

当+TRIGGER输入出现正边沿，同时-TRIGGER保持低电平时，CD4047B在单稳态模式下触发。输入脉冲的持续时间相对于输出脉冲可以是任意的。单稳态模式下的输出脉冲宽度为$t_M(10,11)=2.48 RC$ ，且输出脉冲宽度独立于触发脉冲持续时间。

3. 重触发模式

若需要重触发功能，可对RETRIGGER输入施加脉冲。重触发模式仅限于正边沿触发，只要RETRIGGER输入为高电平，CD4047B就会重触发。

4. 外部计数选项

通过将“Q”耦合到外部“N”计数器，并使用触发脉冲重置计数器，可实现外部倒计时选项。计数器输出脉冲反馈到ASTABLE输入，其持续时间等于多谐振荡器周期的N倍。

三、电气特性

1. 静态电气特性

文档详细列出了不同温度和电压条件下的静态电气特性，包括静态电流IDD、输出低（灌电流）电流IoL、输出高（拉电流）电流IoH、输出电压VoL和VoH、输入低电压VIL、输入高电压VIH以及输入电流IN等参数的极限值。

2. 动态电气特性

在$T_A = 25^{circ}C$、输入$t_r = t_f = 20 ns$、$C_L = 50 pF$和$R_L = 200 kΩ$的条件下，给出了传播延迟时间、过渡时间、最小输入脉冲宽度、输入上升和下降时间、Q或Q偏离50%占空比以及输入电容CIN等动态参数的限制值。

四、设计信息

1. 无稳态模式设计

在无稳态模式下，单元间的传输电压变化会导致周期变化。典型情况下，$V{TR}=0.5 V{DD}$时，$tA = 4.40 RC$；当$V{TR}$在33% - 67%$V_{DD}$范围内变化时，周期变化为+5%， - 0%。

2. 单稳态模式设计

单稳态模式下，同样存在传输电压变化导致的脉冲宽度变化。典型情况下，$V{TR}=0.5 V{DD}$时，$tM = 2.48 RC$；当$V{TR}$在33% - 67%$V_{DD}$范围内变化时，脉冲宽度变化为+9.3%， - 0%。

3. 重触发模式操作

CD4047B可在重触发模式下扩展输出脉冲持续时间，或比较输入信号与内部振荡器的频率。在重触发模式下，输入脉冲施加到端子12，输出从端子10或11获取。为保持与先前计算公式的一致性，推荐的元件值为：无稳态模式下$C≥100 pF$，单稳态模式下$C > 1000 pF$，$10 kΩ ll R leq 1 MΩ$。

五、功率消耗

在待机模式（单稳态或无稳态）下，功耗是电路中泄漏电流的函数。在动态操作中，为外部定时电容C充电所需的功率可通过以下公式计算：

• 无稳态模式：
  • 端子13输出：$P = 2 C V^2 f$
  • 端子10和11输出：$P = 4 C V^2 f$
• 单稳态模式： 端子10和11输出：$P=frac{(2.9 C V^2) (Duty Cycle)}{T}$

六、封装信息

CD4047B提供多种封装形式，包括14引脚密封双列直插陶瓷封装（F3A后缀）、14引脚双列直插塑料封装（E后缀）、14引脚小外形封装（M、MT、M96和NSR后缀）和14引脚薄收缩小外形封装（PW和PWR后缀）。不同封装在引脚数量、包装数量、环保标准、引脚镀层/球材料、湿度敏感度等级、峰值温度、工作温度范围和器件标记等方面存在差异。

七、应用领域

CD4047B适用于对低功耗和/或高抗噪性有主要设计要求的数字设备，如包络检测、频率乘法、频率除法、频率鉴别器、定时电路和延时应用等。

八、总结与思考

CD4047B作为一款功能强大的多谐振荡器，具有多种工作模式、低功耗和良好的电气特性，为电子工程师在数字电路设计中提供了丰富的选择。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择工作模式和外部元件参数，同时要考虑温度、电压等因素对电路性能的影响。大家在使用CD4047B的过程中，有没有遇到过一些特殊的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。