CD4047B：低功耗單穩(wěn)態(tài)/無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，多諧振蕩器是一種常見且重要的電路元件，它能產(chǎn)生方波信號，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字設(shè)備中。今天我們要深入探討的是德州儀器（Texas Instruments）的CD4047B，一款CMOS低功耗單穩(wěn)態(tài)/無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，它具有高電壓額定值（20V），在眾多應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。

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一、CD4047B的基本特性

1. 功能概述

CD4047B由一個可門控的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器組成，采用邏輯技術(shù)，允許正或負(fù)邊沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器動作，還具備重觸發(fā)和外部計數(shù)選項。其輸入包括+TRIGGER、-TRIGGER、ASTABLE、ASTABLE、RETRIGGER和EXTERNAL RESET，緩沖輸出為Q、Q和OSCILLATOR。

2. 特點總結(jié)

• 低功耗：采用特殊的CMOS振蕩器配置，有效降低功耗。
• 兩種工作模式：支持單穩(wěn)態(tài)（單次觸發(fā)）或無穩(wěn)態(tài)（自由運(yùn)行）操作。
• 輸出形式：提供真和互補(bǔ)緩沖輸出。
• 外部元件需求少：僅需一個外部電阻R和電容C。
• 緩沖輸入：增強(qiáng)信號穩(wěn)定性。
• 參數(shù)特性：在20V時對靜態(tài)電流進(jìn)行100%測試，具有標(biāo)準(zhǔn)化、對稱的輸出特性，以及5V、10V和15V的參數(shù)額定值，符合JEDEC暫行標(biāo)準(zhǔn)No.13B。

二、工作模式及原理

1. 無穩(wěn)態(tài)模式

在無穩(wěn)態(tài)模式下，通過在ASTABLE輸入上施加高電平或低電平，或兩者同時施加，可使電路進(jìn)入工作狀態(tài)。Q和Q輸出端的方波周期是所使用的外部元件的函數(shù)，典型周期為$t_A(10,11)=4.40 RC$ 或$t_A(13)=2.20 RC$。此外，“True”輸入脈沖或“Complement”脈沖可使電路用作可門控多諧振蕩器，OSCILLATOR輸出周期在無穩(wěn)態(tài)模式下將是Q端輸出的一半，但不能保證50%的占空比。

2. 單穩(wěn)態(tài)模式

當(dāng)+TRIGGER輸入出現(xiàn)正邊沿，同時-TRIGGER保持低電平時，CD4047B在單穩(wěn)態(tài)模式下觸發(fā)。輸入脈沖的持續(xù)時間相對于輸出脈沖可以是任意的。單穩(wěn)態(tài)模式下的輸出脈沖寬度為$t_M(10,11)=2.48 RC$ ，且輸出脈沖寬度獨立于觸發(fā)脈沖持續(xù)時間。

3. 重觸發(fā)模式

若需要重觸發(fā)功能，可對RETRIGGER輸入施加脈沖。重觸發(fā)模式僅限于正邊沿觸發(fā)，只要RETRIGGER輸入為高電平，CD4047B就會重觸發(fā)。

4. 外部計數(shù)選項

通過將“Q”耦合到外部“N”計數(shù)器，并使用觸發(fā)脈沖重置計數(shù)器，可實現(xiàn)外部倒計時選項。計數(shù)器輸出脈沖反饋到ASTABLE輸入，其持續(xù)時間等于多諧振蕩器周期的N倍。

三、電氣特性

1. 靜態(tài)電氣特性

文檔詳細(xì)列出了不同溫度和電壓條件下的靜態(tài)電氣特性，包括靜態(tài)電流IDD、輸出低（灌電流）電流IoL、輸出高（拉電流）電流IoH、輸出電壓VoL和VoH、輸入低電壓VIL、輸入高電壓VIH以及輸入電流IN等參數(shù)的極限值。

2. 動態(tài)電氣特性

在$T_A = 25^{circ}C$、輸入$t_r = t_f = 20 ns$、$C_L = 50 pF$和$R_L = 200 kΩ$的條件下，給出了傳播延遲時間、過渡時間、最小輸入脈沖寬度、輸入上升和下降時間、Q或Q偏離50%占空比以及輸入電容CIN等動態(tài)參數(shù)的限制值。

四、設(shè)計信息

1. 無穩(wěn)態(tài)模式設(shè)計

在無穩(wěn)態(tài)模式下，單元間的傳輸電壓變化會導(dǎo)致周期變化。典型情況下，$V{TR}=0.5 V{DD}$時，$tA = 4.40 RC$；當(dāng)$V{TR}$在33% - 67%$V_{DD}$范圍內(nèi)變化時，周期變化為+5%， - 0%。

2. 單穩(wěn)態(tài)模式設(shè)計

單穩(wěn)態(tài)模式下，同樣存在傳輸電壓變化導(dǎo)致的脈沖寬度變化。典型情況下，$V{TR}=0.5 V{DD}$時，$tM = 2.48 RC$；當(dāng)$V{TR}$在33% - 67%$V_{DD}$范圍內(nèi)變化時，脈沖寬度變化為+9.3%， - 0%。

3. 重觸發(fā)模式操作

CD4047B可在重觸發(fā)模式下擴(kuò)展輸出脈沖持續(xù)時間，或比較輸入信號與內(nèi)部振蕩器的頻率。在重觸發(fā)模式下，輸入脈沖施加到端子12，輸出從端子10或11獲取。為保持與先前計算公式的一致性，推薦的元件值為：無穩(wěn)態(tài)模式下$C≥100 pF$，單穩(wěn)態(tài)模式下$C > 1000 pF$，$10 kΩ ll R leq 1 MΩ$。

五、功率消耗

在待機(jī)模式（單穩(wěn)態(tài)或無穩(wěn)態(tài)）下，功耗是電路中泄漏電流的函數(shù)。在動態(tài)操作中，為外部定時電容C充電所需的功率可通過以下公式計算：

• 無穩(wěn)態(tài)模式：
  • 端子13輸出：$P = 2 C V^2 f$
  • 端子10和11輸出：$P = 4 C V^2 f$
• 單穩(wěn)態(tài)模式： 端子10和11輸出：$P=frac{(2.9 C V^2) (Duty Cycle)}{T}$

六、封裝信息

CD4047B提供多種封裝形式，包括14引腳密封雙列直插陶瓷封裝（F3A后綴）、14引腳雙列直插塑料封裝（E后綴）、14引腳小外形封裝（M、MT、M96和NSR后綴）和14引腳薄收縮小外形封裝（PW和PWR后綴）。不同封裝在引腳數(shù)量、包裝數(shù)量、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、引腳鍍層/球材料、濕度敏感度等級、峰值溫度、工作溫度范圍和器件標(biāo)記等方面存在差異。

七、應(yīng)用領(lǐng)域

CD4047B適用于對低功耗和/或高抗噪性有主要設(shè)計要求的數(shù)字設(shè)備，如包絡(luò)檢測、頻率乘法、頻率除法、頻率鑒別器、定時電路和延時應(yīng)用等。

八、總結(jié)與思考

CD4047B作為一款功能強(qiáng)大的多諧振蕩器，具有多種工作模式、低功耗和良好的電氣特性，為電子工程師在數(shù)字電路設(shè)計中提供了豐富的選擇。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇工作模式和外部元件參數(shù)，同時要考慮溫度、電壓等因素對電路性能的影響。大家在使用CD4047B的過程中，有沒有遇到過一些特殊的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。