德州儀器CD4047B：多功能低功耗多諧振蕩器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，多諧振蕩器是一種常用的電路元件，可用于產(chǎn)生各種信號(hào)。德州儀器的CD4047B是一款高性能的CMOS低功耗單穩(wěn)態(tài)/無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，具有多種工作模式和豐富的特性，適用于多種數(shù)字設(shè)備。本文將深入探討CD4047B的特點(diǎn)、工作模式、電氣特性以及應(yīng)用設(shè)計(jì)，為電子工程師提供全面的參考。

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一、CD4047B概述

CD4047B集成了可門控的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，采用邏輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)正或負(fù)邊沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器功能，還具備重觸發(fā)和外部計(jì)數(shù)選項(xiàng)。其輸入包括+TRIGGER、 -TRIGGER、ASTABLE、ASTABLE、RETRIGGER和EXTERNAL RESET，輸出有Q、Q和OSCILLATOR。在所有工作模式下，外部電容需連接在C - Timing和RC - Common端子之間，外部電阻需連接在R - Timing和RC - Common端子之間。

二、工作模式

（一）無穩(wěn)態(tài)模式

1. 工作原理

無穩(wěn)態(tài)模式可通過ASTABLE輸入的高電平或ASTABLE輸入的低電平，或兩者同時(shí)作用來啟用。在該模式下，Q和Q輸出端的方波周期是外部元件參數(shù)的函數(shù)。ASTABLE輸入的“真”輸入脈沖或ASTABLE輸入的“互補(bǔ)”脈沖可使電路作為可門控多諧振蕩器使用。OSCILLATOR輸出周期在無穩(wěn)態(tài)模式下是Q端子輸出周期的一半，但不能保證50%的占空比。

2. 周期計(jì)算

周期計(jì)算公式為： $t{1}=-R C ln frac{V{T R}}{V{D D}+V{T R}}$，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$t{2}=1.1 R C$； $t{A}=-2 R C ln frac{left(V{T R} / V{D D}-V{T R}right)}{left(V{D D}+V{T R}right)left(2 V{D D}-V{T R}right)}$； 典型情況下，$V{TR}=0.5 V{D D}$，$t{A}=4.40 R C$；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$t{A}=4.40 RC$，由于傳輸電壓變化，變化范圍為+5%， - 0%。

（二）單穩(wěn)態(tài)模式

1. 觸發(fā)條件

當(dāng)+TRIGGER輸入出現(xiàn)正邊沿且 - TRIGGER保持低電平時(shí)，CD4047B在單穩(wěn)態(tài)模式下觸發(fā)。輸入脈沖的持續(xù)時(shí)間相對(duì)于輸出脈沖可以是任意的。

2. 脈沖寬度計(jì)算

脈沖寬度計(jì)算公式為： $t{1}'=-R C ln frac{V{T R}}{2 V{D D}}$，典型值$t{1}'=1.38 R C$； $t{M}=left(t{1}+t{2}right)$，$t{M}=-R C ln frac{left(V{T R}right)left(V{D D}-V{T R}right)}{left(2 V{D D}-V{T R}right)left(2 V{D D}right)}$； 典型情況下，$V{TR}=0.5 V{D D}$，$t{M}=2.48 R C$；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$t{M}=2.48 RC$，由于傳輸電壓變化，變化范圍為+9.3%， - 0%。

（三）重觸發(fā)模式

CD4047B可在重觸發(fā)模式下使用，以延長輸出脈沖持續(xù)時(shí)間，或比較輸入信號(hào)頻率與內(nèi)部振蕩器頻率。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。當(dāng)施加一個(gè)重觸發(fā)脈沖時(shí)，可獲得正常的單穩(wěn)態(tài)動(dòng)作；當(dāng)施加多個(gè)脈沖時(shí)，可獲得延長的脈沖持續(xù)時(shí)間。

（四）外部計(jì)數(shù)選項(xiàng)

通過將“Q”耦合到外部“N”計(jì)數(shù)器，并使用觸發(fā)脈沖重置計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)外部倒計(jì)時(shí)選項(xiàng)。計(jì)數(shù)器輸出脈沖反饋到ASTABLE輸入，其持續(xù)時(shí)間等于多諧振蕩器周期的N倍。輸出脈沖持續(xù)時(shí)間公式為$t{ext}=(N - 1)left(t{A}right)+left(t{M}+t{A} / 2right)$。

三、電氣特性

（一）靜態(tài)電氣特性

包括靜態(tài)電流、輸出低電平（灌電流）、輸出高電平（拉電流）、輸入低電壓、輸入高電壓和輸入電流等參數(shù)。這些參數(shù)在不同的電源電壓和溫度條件下有不同的取值范圍。例如，在電源電壓為5V、溫度為25°C時(shí)，靜態(tài)電流Typ值為0.02μA，Max值為1μA。

（二）動(dòng)態(tài)電氣特性

在$T{A}=25^{circ} C$、輸入$t{r}=t{f}=20 ns$、$C{L}=50 pF$、$R_{L}=200 k Omega$的條件下，給出了傳播延遲時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、最小輸入脈沖寬度等參數(shù)。例如，Astable、Astable到Osc.Out的傳播延遲時(shí)間，在電源電壓為10V時(shí)，Typ值為100ns，Max值為200ns。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

CD4047B適用于對(duì)低功耗和/或高抗噪性有主要設(shè)計(jì)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(shí)電路和時(shí)間延遲應(yīng)用等。

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（一）推薦工作條件

為確保最大可靠性，電源電壓范圍在TA為全封裝溫度范圍時(shí)為3 - 18V。若在15V工作時(shí)使用10MΩ電阻，工作溫度應(yīng)在 - 25°C至100°C之間。

（二）最大額定值

包括直流電源電壓范圍、每封裝功耗、每個(gè)輸出晶體管的器件功耗、工作溫度范圍、存儲(chǔ)溫度范圍和焊接時(shí)的引腳溫度等絕對(duì)最大額定值。例如，工作溫度范圍為 - 55°C至 + 125°C。

（三）元件選擇

為保持與先前計(jì)算公式的一致性，無穩(wěn)態(tài)模式下，電容C≥100pF；單穩(wěn)態(tài)模式下，C > 1000pF。電阻R應(yīng)滿足$10 k Omega ll R leq 1 M Omega$。

六、封裝信息

CD4047B提供多種封裝選項(xiàng)，如14引腳的陶瓷雙列直插式封裝（F3A后綴）、塑料雙列直插式封裝（E后綴）、小外形封裝（M、MT、M96和NSR后綴）和薄收縮小外形封裝（PW和PWR后綴）。不同封裝在引腳數(shù)量、封裝類型、環(huán)保計(jì)劃、引腳鍍層/球材料、MSL峰值溫度、工作溫度和器件標(biāo)記等方面有所不同。

七、總結(jié)

CD4047B作為一款功能強(qiáng)大的多諧振蕩器，具有低功耗、多種工作模式和豐富的特性，適用于多種數(shù)字設(shè)備。在設(shè)計(jì)過程中，電子工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇工作模式、電氣參數(shù)和外部元件，同時(shí)注意推薦工作條件和最大額定值，以確保電路的可靠性和穩(wěn)定性。你在使用CD4047B進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。