在石英晶体振荡器电路中使用 CMOS 施密特触发器反相器

电器工程 振荡器 CMOS 水晶 施密特触发器 非门
2022-01-31 03:07:22

在我看到的所有关于使用 CMOS 反相器的石英晶体振荡器的资料中,都有这样的注释:

施密特逆变器注意事项

但是为什么需要施密特逆变器呢?经典的 74HC04 不能工作吗?

3个回答

对于直接驱动晶体的第一个反相器来说,施密特触发器反相器是个坏主意。如图所示,它甚至可能根本不振荡,或者以某些不希望的频率振荡。注意电阻器 R1。这应该将逆变器偏置为接近其输出范围中间的线性放大器。逆变器产生的一点点噪声将被晶振过滤,使晶振频率的部分噪声通过相移返回到逆变器的输入端。它被逆变器放大,再次通过晶体过滤,等等。最终振荡建立到一个稳定的水平,这可能需要 100 秒或更长时间。

这假设第一个反相器大致是一个线性放大器。施密特触发器使其高度非线性。它将引入自己的频率,并可能使晶体过载。晶体是高度调谐的滤波器,但让它们过滤并不会产生良好的频率精度,并且可能允许在所需频率以外的频率下稳定振荡。

作为施密特触发器的第二个反相器确实有一定的意义。第一个逆变器真正产生模拟信号。它将更像是正弦波而不是方波,并且可能不是完整的轨到轨幅度。通常,通过另一个逆变器运行来放大和削减它就足够了。施密特触发器应该使数字输出信号更清晰一些。

通常施密特触发器不用于晶体驱动器。这是因为它们不能用于第一个逆变器,并且在同一芯片上使用多个逆变器更容易。例如,您提到的 74HC04 芯片上有 6 个。

同样,在第一阶段之后的大多数情况下,只需另一个逆变器即可获得足够好的方波。如果您确实需要快速边沿并且晶体频率较低,那么施密特触发器可以提供帮助。您仍然可以使用 74HC04 做到这一点。我会使用一个逆变器来运行晶体,第二个只是作为缓冲器,然后两个在它们周围有一点直流反馈来制造施密特触发器。需要两个逆变器的原因是您需要正增益。

这就是我所说的:

同样,对于许多应用,IC1B 的输出已经足够好。

另请注意,该电路需要一个并联谐振晶体。这意味着它的频率是在相移适合负增益放大器周围反馈的地方指定的。串联谐振晶体可以工作,但频率会稍微偏离。

请注意,“施密特触发器动作”(基于比较器的尖锐交叉输入)经常与“施密特触发器”(具有产生滞后的正反馈的放大器)混淆。

示例:74HCU04 是专门为创建振荡器而设计的带有十六进制无缓冲反相器的部件。它具有“施密特触发器动作”输入,因此逆变器符号没有滞后符号。

业余设计师可能会锁定“施密特”这个词并假设输入具有滞后性,并错误地添加了符号。

不要使用缓冲部件来构建振荡器,因为它们的极高增益(大约 1000 或更多,而未缓冲的为 100 或更少)使它们对任何参数变化非常敏感,即电源电压、温度变化、零件公差、晶圆到晶圆和栅极到栅极的变化等。

水晶石英振荡器产生正弦波,这不适合时钟信号,因为我们希望上升沿和下降沿尽可能干净。

施密特触发器用于从该正弦波生成方波。它的滞后特性使其能够抵抗错误触发。

输出信号将更清晰,时钟发生器能够立即驱动数字高阻输入。