德州仪器CD4047B：多功能低功耗多谐振荡器的设计与应用

引言

在电子设计领域，多谐振荡器是一种常用的电路元件，可用于产生各种信号。德州仪器的CD4047B是一款高性能的CMOS低功耗单稳态/无稳态多谐振荡器，具有多种工作模式和丰富的特性，适用于多种数字设备。本文将深入探讨CD4047B的特点、工作模式、电气特性以及应用设计，为电子工程师提供全面的参考。

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一、CD4047B概述

CD4047B集成了可门控的无稳态多谐振荡器，采用逻辑技术实现正或负边沿触发的单稳态多谐振荡器功能，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，输出有Q、Q和OSCILLATOR。在所有工作模式下，外部电容需连接在C - Timing和RC - Common端子之间，外部电阻需连接在R - Timing和RC - Common端子之间。

二、工作模式

（一）无稳态模式

1. 工作原理

无稳态模式可通过ASTABLE输入的高电平或ASTABLE输入的低电平，或两者同时作用来启用。在该模式下，Q和Q输出端的方波周期是外部元件参数的函数。ASTABLE输入的“真”输入脉冲或ASTABLE输入的“互补”脉冲可使电路作为可门控多谐振荡器使用。OSCILLATOR输出周期在无稳态模式下是Q端子输出周期的一半，但不能保证50%的占空比。

2. 周期计算

周期计算公式为： $t{1}=-R C ln frac{V{T R}}{V{D D}+V{T R}}$，典型值$t{1}=1.1 R C$； $t{2}=-R C ln frac{V{D D}-V{T R}}{2 V{D D}-V{T R}}$，典型值$t{2}=1.1 R C$； $t{A}=-2 R C ln frac{left(V{T R} / V{D D}-V{T R}right)}{left(V{D D}+V{T R}right)left(2 V{D D}-V{T R}right)}$； 典型情况下，$V{TR}=0.5 V{D D}$，$t{A}=4.40 R C$；最小$V{T R}=0.33 V{D D}$，$t{A}=4.62 R C$；最大$V{T R}=0.67 V{D D}$。若使用$t{A}=4.40 RC$，由于传输电压变化，变化范围为+5%， - 0%。

（二）单稳态模式

1. 触发条件

当+TRIGGER输入出现正边沿且 - 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。

2. 脉冲宽度计算

脉冲宽度计算公式为： $t{1}'=-R C ln frac{V{T R}}{2 V{D D}}$，典型值$t{1}'=1.38 R C$； $t{M}=left(t{1}+t{2}right)$，$t{M}=-R C ln frac{left(V{T R}right)left(V{D D}-V{T R}right)}{left(2 V{D D}-V{T R}right)left(2 V{D D}right)}$； 典型情况下，$V{TR}=0.5 V{D D}$，$t{M}=2.48 R C$；最小$V{T R}=0.33 V{D D}$，$t{M}=2.71 R C$；最大$V{T R}=0.87 V{D D}$，$t{M}=2.48 R C$。若使用$t{M}=2.48 RC$，由于传输电压变化，变化范围为+9.3%， - 0%。

（三）重触发模式

CD4047B可在重触发模式下使用，以延长输出脉冲持续时间，或比较输入信号频率与内部振荡器频率。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。当施加一个重触发脉冲时，可获得正常的单稳态动作；当施加多个脉冲时，可获得延长的脉冲持续时间。

（四）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。输出脉冲持续时间公式为$t{ext}=(N - 1)left(t{A}right)+left(t{M}+t{A} / 2right)$。

三、电气特性

（一）静态电气特性

包括静态电流、输出低电平（灌电流）、输出高电平（拉电流）、输入低电压、输入高电压和输入电流等参数。这些参数在不同的电源电压和温度条件下有不同的取值范围。例如，在电源电压为5V、温度为25°C时，静态电流Typ值为0.02μA，Max值为1μA。

（二）动态电气特性

在$T{A}=25^{circ} C$、输入$t{r}=t{f}=20 ns$、$C{L}=50 pF$、$R_{L}=200 k Omega$的条件下，给出了传播延迟时间、转换时间、最小输入脉冲宽度等参数。例如，Astable、Astable到Osc.Out的传播延迟时间，在电源电压为10V时，Typ值为100ns，Max值为200ns。

四、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、定时电路和时间延迟应用等。

五、设计注意事项

（一）推荐工作条件

为确保最大可靠性，电源电压范围在TA为全封装温度范围时为3 - 18V。若在15V工作时使用10MΩ电阻，工作温度应在 - 25°C至100°C之间。

（二）最大额定值

包括直流电源电压范围、每封装功耗、每个输出晶体管的器件功耗、工作温度范围、存储温度范围和焊接时的引脚温度等绝对最大额定值。例如，工作温度范围为 - 55°C至 + 125°C。

（三）元件选择

为保持与先前计算公式的一致性，无稳态模式下，电容C≥100pF；单稳态模式下，C > 1000pF。电阻R应满足$10 k Omega ll R leq 1 M Omega$。

六、封装信息

CD4047B提供多种封装选项，如14引脚的陶瓷双列直插式封装（F3A后缀）、塑料双列直插式封装（E后缀）、小外形封装（M、MT、M96和NSR后缀）和薄收缩小外形封装（PW和PWR后缀）。不同封装在引脚数量、封装类型、环保计划、引脚镀层/球材料、MSL峰值温度、工作温度和器件标记等方面有所不同。

七、总结

CD4047B作为一款功能强大的多谐振荡器，具有低功耗、多种工作模式和丰富的特性，适用于多种数字设备。在设计过程中，电子工程师需要根据具体应用需求，合理选择工作模式、电气参数和外部元件，同时注意推荐工作条件和最大额定值，以确保电路的可靠性和稳定性。你在使用CD4047B进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。