中心議題：

• 探究取替RC采用硅振蕩器定時
• 了解簡化的 555 電路

解決方案：

• 采用 TimerBlox 器件的典型應(yīng)用

人們也許會說，17 世紀(jì)是個野蠻殘暴的時代，就醫(yī)療技術(shù)而言，確實如此。因為理發(fā)師就是外科醫(yī)師，多嚴(yán)重的問題也是他們來解決。他們的解決辦法常常是外科手術(shù)，而且不用消毒劑和麻醉劑。理發(fā)師是專家，負(fù)責(zé)去掉妨礙人們健康的任何東西：頭發(fā)、牙齒、附屬器官、活命的體液，等等。對我們來說，幸運(yùn)的是，理發(fā)師的從業(yè)范圍已經(jīng)縮小到了比較適中的水平，現(xiàn)在由專門的醫(yī)療專家來解決“真正嚴(yán)重的問題”。理發(fā)師充當(dāng)外科醫(yī)師的悠久歷史很好地說明了技術(shù)進(jìn)步的過程。誠然，在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，生命周期有時非常短暫，我們沒有時間迷戀任何特定的技術(shù)。但是，對于古老的 RC 電路，情況卻不是這樣，數(shù) 10 年來，RC 電路一直是一種廣受歡迎的定時組件。你只需觀察一下 555 定時器使用的廣泛程度就夠了，依靠 RC 電路的 555 定時器發(fā)明至今已經(jīng)近 40 年了。即使最近幾年，新的 555 定時器版本仍然不斷在市場上出現(xiàn)。而且，不僅僅是 555 定時器，還有無數(shù)集成式器件依靠 RC 電路實現(xiàn)定時，因為 RC 電路一直是最簡單、最靈活和可編程度最高的選擇。但是，無論 RC 電路是如何實現(xiàn)的，使用 RC 電路總是伴隨著諸多限制?，F(xiàn)在，隨著一類新的和基于硅振蕩器技術(shù)的定時器件的出現(xiàn)，上述情形就發(fā)生了改變。

也許最簡單、最常見的電子電路是電阻器和電容器串聯(lián)后連接到地所形成的電路。如圖 1 所示，當(dāng)電壓加在電阻器上時，電容器上的電壓響應(yīng)會呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律：VC = VR (1-e-t/)，當(dāng)電阻器接地時，電容器上的電壓響應(yīng)會呈現(xiàn)類似但反向的指數(shù)規(guī)律：VC = VINITIAL(e-t/)。這種簡單和可預(yù)測的時間響應(yīng)使這種電路成為濾除噪聲、降低快速信號邊沿速度、保護(hù)設(shè)備輸入、避免競態(tài)情況以及解決其他無數(shù)定時問題的理想解決方案。即使沒有給電路添加電阻器或電容器，由于走線或連線中的電阻，這種電路實際上也常常存在。 增加若干組件以后，具有可預(yù)測的充電和放電特性的 RC 電路就可用作電子定時組件了。RC 電路的一個良好特性是，可用來設(shè)定具有單穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的時序，如圖 2 所示。在單穩(wěn)態(tài)工作模式時，觸發(fā)器打開開關(guān)，電容器充電，當(dāng)電容器達(dá)到 2V 時，比較器使輸出復(fù)位。要實現(xiàn)啟動、停止排序或延遲一個事件等異步時序時，單穩(wěn)態(tài)工作是必需的。在非穩(wěn)態(tài)工作模式，反饋信號不斷改變電容器的充電和放電方向，保持電容器電壓在一個固定范圍內(nèi) (本例為 1V 到 2V 之間)。結(jié)果，只要保持對電路的供電，就能產(chǎn)生連續(xù)的脈沖串，或者形成振蕩器。

頻率和時間的可編程性是 RC 電路的關(guān)鍵特性，而且取決于工程師是否能找到合適的電阻器和電容器組合。不同尺寸和類型的電容器很多，但是需要在準(zhǔn)確度、尺寸和成本之間進(jìn)行權(quán)衡。使用 NP0/COG 型電容器可得到最佳容限為 1-2%。但是因為 NP0 / COG 電容器的容量超過 1uF 以后，價格非常昂貴，所以設(shè)計師有可能折中使用容限為 5% 或更差的電容器，5% 容限是其他類型電容器的典型值。就非常小的電容值而言，設(shè)計師應(yīng)該知道，雜散電容或柵電容會引起誤差。例如，在圖 2 中，比較器輸入端僅存在幾 pF 的電容，就會引起 1% 的誤差。除了這些問題，可能還存在其他電容器誤差源，如 ESR、溫度系數(shù)和泄漏電流。面對所有這些電容器問題，在半導(dǎo)體芯片中集成 RC 電容器似乎是個不錯的想法。但是，因為基于半導(dǎo)體的準(zhǔn)確電容器需要占用很大的芯片面積 (即使采用非常小的電容值)，并需要進(jìn)行大量微調(diào)，所以這是一種昂貴的解決方案。由于 RC 值選擇范圍和較高成本的限制，在采用 RC 電路時，這不是一種常見的選擇，因此外部電容器令人頭痛的諸多問題也許永遠(yuǎn)不會消失。

面對電容器受到的實際限制，電阻器的選擇變得更加關(guān)鍵了，不過電阻器也受到一些限制。如果 RC 電路的電阻非常小，就會產(chǎn)生功耗后果，因為大量功率浪費在電阻器上了。例如，圖 2 中的 RC 電路吸取超過 1mA 的峰值電流，而且在非穩(wěn)態(tài)工作 (振蕩器) 模式時，兩個外部電阻器本身就吸取了 450uA 的平均電流1。另一方面，表面泄漏和輸入偏置電流會限制最大電阻值。在有幾 nA 的雜散或偏置電流時，超過 10MΩ 的電阻器就會因為這些電流產(chǎn)生可觀的誤差。

假定可獲得合適的電阻器和電容器，但是由于充電和放電響應(yīng)曲線的非線性，RC 電路中仍然還有另一個重要的誤差源。在定時響應(yīng)中，任何比較器門限誤差都被放大超過 2.5 倍。例如，±2% 的比較器門限誤差產(chǎn)生大約 ±5.4% 的定時誤差2。就非穩(wěn)態(tài)工作模式而言，這個問題不僅以頻率誤差的形式顯現(xiàn)，而且還導(dǎo)致占空比誤差。圖 3 說明了這種誤差源的影響。請注意，指數(shù)響應(yīng)曲線的內(nèi)在誤差由具有線性響應(yīng)曲線的硅振蕩器消除了。
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可編程性的優(yōu)點之一是能實現(xiàn)電壓控制的調(diào)制 (VCO)、脈沖寬度調(diào)制 (PWM)、脈沖持續(xù)時間調(diào)制和其他類型的動態(tài)時間或頻率調(diào)制。很多應(yīng)用都需要這種能力：音調(diào)信號發(fā)生、加熱器控制、電動機(jī)控制、脈沖發(fā)生 … 等等。專門論述用 555 型或其他 RC 電路實現(xiàn)這類應(yīng)用的網(wǎng)頁、書籍、文章和短文數(shù)不勝數(shù)，這也說明需求是顯而易見的。無論是 555 定時器還是其他電路，用 RC 電路實現(xiàn)定時需要調(diào)節(jié)比較器門限電壓或 RC 響應(yīng)曲線。伴隨比較器門限調(diào)節(jié)而來的是多種誤差，如上所述。最簡單的實現(xiàn)控制的方法需要使用電位器或可變電容器來調(diào)節(jié) RC 時間常數(shù)。實事求是地說，大多數(shù)實現(xiàn)方法都需要大量額外電路 (如閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò))，以補(bǔ)償很多誤差源。

總之，由于一代又一代電子產(chǎn)品不斷提出更高的準(zhǔn)確度、功率和尺寸要求，因此 RC 電路的固有限制變得越來越明顯了。RC 電路一般不在高于 1MHz 的頻率上工作，RC 電路不準(zhǔn)確、消耗大量功率，而且可能比乍看之下更昂貴，尤其是付出大量努力以增強(qiáng)功能或提高性能時。

傳統(tǒng)上可替代定時電路的方法需要固定頻率晶體振蕩器。增強(qiáng)可編程性或異步功能需要增加電路。無論是用分立式組件還是通過設(shè)定微控制器來增強(qiáng)可編程性或異步功能，簡單的定時應(yīng)用最終都變得復(fù)雜和不靈活了。就很多應(yīng)用而言，這絕對不是吸引的選擇。隨著硅振蕩器的出現(xiàn)，基于 RC 的定時器有了真正的競爭對手。

硅振蕩器是徹底的固態(tài)器件，運(yùn)用通過電流控制的頻率鎖定伺服環(huán)路。該頻率控制電流可用單個電阻器設(shè)定，而且其可編程架構(gòu)也允許單穩(wěn)態(tài)工作3。用硅振蕩器作為基本的“定時引擎”取代 RC 電路后，可提供更簡單、更靈活和可編程性更高的定時方法。

因為硅振蕩器不依賴機(jī)械諧振組件，而且是用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 技術(shù)制造，所以它們具有很高的抗沖擊、抗振動和抗磨損性。這也意味著，硅振蕩器可以集成其他功能，如頻率可編程性、多相輸出、擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制和智能啟動電路。硅振蕩器可在 10kHz 至 170MHz 的頻率范圍內(nèi)工作，具有內(nèi)置分壓器，而且這個頻率范圍還可以擴(kuò)展到極低的頻率4。硅振蕩器的準(zhǔn)確度和功耗性能非常出眾。例如，凌力爾特公司的 LTC6906 在 10kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)具有高于 99% 的準(zhǔn)確度，同時吸取不到 80uA 的電流
凌力爾特公司最近推出了一個基于硅振蕩器的定時器件新系列，即 TimerBloxTM 系列。這些器件含有智能電路，可提供 5 種基本定時功能：電壓控制振蕩器 (VCO)、面向長持續(xù)時間定時的非常低頻率時鐘、脈沖寬度調(diào)制振蕩器 (PWM)、單脈沖發(fā)生器和延遲構(gòu)件。作為一個系列，這些器件涵蓋了 29uHz (9.5 小時) 至 2MHz 的工作范圍，具有 98% 或更高的典型頻率或時間準(zhǔn)確度。每個 TimerBlox 器件提供 8 種單獨的工作頻率 / 時間范圍，可用一個簡單的電阻分壓器進(jìn)行選擇。一旦范圍選定，那么用戶就可以用 25kΩ 至 800kΩ 的單個電阻器設(shè)定準(zhǔn)確的頻率或時間。這種架構(gòu)允許 TimerBlox 系列器件涵蓋很寬的工作范圍，同時確保電阻器尺寸對總體準(zhǔn)確度或功耗產(chǎn)生的影響可以忽略不計 (通過設(shè)定電流產(chǎn)生的雜散電流和功耗可以忽略不計)。TimerBlox 系列器件在 2.25V 至 5.5V 的電源電壓范圍內(nèi)工作，電源電流范圍為 60uA 至 250uA，而且 TimerBlox 器件提供快速、首周期準(zhǔn)確的啟動。20mA 輸出提供和吸收能力允許直接驅(qū)動光隔離器和變壓器，以實現(xiàn)電氣隔離。TimerBlox 系列器件采用 SOT23 和纖巧的 DFN 封裝，所有器件都可在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)工作。所有這些特色都是為了確保 TimerBlox 系列器件提供最簡單、靈活和可編程的定時解決方案。采用這些器件，設(shè)計師就不會面對利用 RC 電路實現(xiàn)定時器或提供時鐘時所需的無情選擇了。RC 電路的作用現(xiàn)在可以縮回到一種更適中的水平，人們不再期望用 RC 電路應(yīng)對“真正嚴(yán)重的定時問題”了。

1 如果考慮 CMOS 版本的 555 定時器僅吸取不到 100uA 的電源電流，那么 450uA 的電阻器電流就相當(dāng)大了。
   
2 值得一提的是，典型的 555 定時器的比較器門限誤差 > ±5%。
  
3 凌力爾特公司有些硅振蕩器包括內(nèi)置電流設(shè)定控制，從而無需外部設(shè)定電阻器。
   
4 凌力爾特公司的 LTC6991 提供非常低頻率的時鐘，能以 9.5 小時的定時間隔工作。