中心議題：

• 探究取替RC采用矽振蕩器定時
• 了解簡化的 555 電路

解決方案：

• 采用 TimerBlox 器件的典型應用

人們也許會說
，17 shijishigeyemancanbaodeshidai

，jiuyiliaojishueryan，queshiruci。yinweilifashijiushiwaikeyishi，duoyanzhongdewentiyeshitamenlaijiejue。tamendejiejuebanfachangchangshiwaikeshoushu，erqiebuyongxiaodujihemazuiji。lifashishizhuanjia，fuzequdiaofangairenmenjiankangderenhedongxi：頭發
、牙齒、附屬器官、活命的體液，等等。對我們來說
，幸運的是，理發師的從業範圍已經縮小到了比較適中的水平，現在由專門的醫療專家來解決“真正嚴重的問題”。理(li)發(fa)師(shi)充(chong)當(dang)外(wai)科(ke)醫(yi)師(shi)的(de)悠(you)久(jiu)曆(li)史(shi)很(hen)好(hao)地(di)說(shuo)明(ming)了(le)技(ji)術(shu)進(jin)步(bu)的(de)過(guo)程(cheng)。誠(cheng)然(ran)
，在(zai)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)領(ling)域(yu)
，生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)有(you)時(shi)非(fei)常(chang)短(duan)暫(zan)
，我(wo)們(men)沒(mei)有(you)時(shi)間(jian)迷(mi)戀(lian)任(ren)何(he)特(te)定(ding)的(de)技(ji)術(shu)。但(dan)是(shi)，對(dui)於(yu)古(gu)老(lao)的(de) RC 電路，情況卻不是這樣，數 10 年來
，RC 電路一直是一種廣受歡迎的定時組件。你隻需觀察一下 555 定時器使用的廣泛程度就夠了，依靠 RC 電路的 555 定時器發明至今已經近 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。而且，不僅僅是 555 定時器，還有無數集成式器件依靠 RC 電路實現定時
，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 電路是如何實現的，使用 RC 電路總是伴隨著諸多限製。現在，隨著一類新的和基於矽振蕩器技術的定時器件的出現，上述情形就發生了改變。

也許最簡單、最常見的電子電路是電阻器和電容器串聯後連接到地所形成的電路。如圖 1 所示
，當電壓加在電阻器上時，電容器上的電壓響應會呈現指數規律：VC = VR (1-e-t/)，當電阻器接地時，電容器上的電壓響應會呈現類似但反向的指數規律：VC = VINITIAL(e-t/)。這種簡單和可預測的時間響應使這種電路成為濾除噪聲、降低快速信號邊沿速度、保護設備輸入
、避(bi)免(mian)競(jing)態(tai)情(qing)況(kuang)以(yi)及(ji)解(jie)決(jue)其(qi)他(ta)無(wu)數(shu)定(ding)時(shi)問(wen)題(ti)的(de)理(li)想(xiang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。即(ji)使(shi)沒(mei)有(you)給(gei)電(dian)路(lu)添(tian)加(jia)電(dian)阻(zu)器(qi)或(huo)電(dian)容(rong)器(qi)
，由(you)於(yu)走(zou)線(xian)或(huo)連(lian)線(xian)中(zhong)的(de)電(dian)阻(zu)，這(zhe)種(zhong)電(dian)路(lu)實(shi)際(ji)上(shang)也(ye)常(chang)常(chang)存(cun)在(zai)。 增加若幹組件以後，具有可預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，可用來設定具有單穩態和非穩態響應的時序
，如圖 2 所示。在單穩態工作模式時，觸發器打開開關，電容器充電，當電容器達到 2V 時
，比較器使輸出複位。要實現啟動、停(ting)止(zhi)排(pai)序(xu)或(huo)延(yan)遲(chi)一(yi)個(ge)事(shi)件(jian)等(deng)異(yi)步(bu)時(shi)序(xu)時(shi)，單(dan)穩(wen)態(tai)工(gong)作(zuo)是(shi)必(bi)需(xu)的(de)。在(zai)非(fei)穩(wen)態(tai)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)
，反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)不(bu)斷(duan)改(gai)變(bian)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)方(fang)向(xiang)
，保(bao)持(chi)電(dian)容(rong)器(qi)電(dian)壓(ya)在(zai)一(yi)個(ge)固(gu)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei) (本例為 1V 到 2V 之間)。結果，隻要保持對電路的供電，就能產生連續的脈衝串
，或者形成振蕩器。

頻率和時間的可編程性是 RC 電路的關鍵特性，而且取決於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
，但是需要在準確度、尺寸和成本之間進行權衡。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 以後，價格非常昂貴
，所以設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，設計師應該知道
，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、溫度係數和泄漏電流。麵對所有這些電容器問題
，在半導體芯片中集成 RC 電容器似乎是個不錯的想法。但是，因為基於半導體的準確電容器需要占用很大的芯片麵積 (即使采用非常小的電容值)
，並需要進行大量微調，所以這是一種昂貴的解決方案。由於 RC 值選擇範圍和較高成本的限製，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不會消失。

麵對電容器受到的實際限製，電阻器的選擇變得更加關鍵了
，不過電阻器也受到一些限製。如果 RC 電路的電阻非常小，就會產生功耗後果
，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
，而且在非穩態工作 (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。另一方麵
，表麵泄漏和輸入偏置電流會限製最大電阻值。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生可觀的誤差。

假定可獲得合適的電阻器和電容器


，但是由於充電和放電響應曲線的非線性，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生大約 ±5.4% 的定時誤差2。就非穩態工作模式而言，這個問題不僅以頻率誤差的形式顯現，而且還導致占空比誤差。圖 3 說明了這種誤差源的影響。請注意，指數響應曲線的內在誤差由具有線性響應曲線的矽振蕩器消除了。
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可編程性的優點之一是能實現電壓控製的調製 (VCO)、脈衝寬度調製 (PWM)、脈衝持續時間調製和其他類型的動態時間或頻率調製。很多應用都需要這種能力：音調信號發生、加熱器控製、電動機控製
、脈衝發生 … 等等。專門論述用 555 型或其他 RC 電路實現這類應用的網頁、書籍、文章和短文數不勝數
，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 電路實現定時需要調節比較器門限電壓或 RC 響應曲線。伴隨比較器門限調節而來的是多種誤差
，如上所述。最簡單的實現控製的方法需要使用電位器或可變電容器來調節 RC 時間常數。實事求是地說，大多數實現方法都需要大量額外電路 (如閉環反饋網絡)，以補償很多誤差源。

總之
，由於一代又一代電子產品不斷提出更高的準確度、功率和尺寸要求，因此 RC 電路的固有限製變得越來越明顯了。RC 電路一般不在高於 1MHz 的頻率上工作，RC 電路不準確
、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功能或提高性能時。

傳(chuan)統(tong)上(shang)可(ke)替(ti)代(dai)定(ding)時(shi)電(dian)路(lu)的(de)方(fang)法(fa)需(xu)要(yao)固(gu)定(ding)頻(pin)率(lv)晶(jing)體(ti)振(zhen)蕩(dang)器(qi)。增(zeng)強(qiang)可(ke)編(bian)程(cheng)性(xing)或(huo)異(yi)步(bu)功(gong)能(neng)需(xu)要(yao)增(zeng)加(jia)電(dian)路(lu)。無(wu)論(lun)是(shi)用(yong)分(fen)立(li)式(shi)組(zu)件(jian)還(hai)是(shi)通(tong)過(guo)設(she)定(ding)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)來(lai)增(zeng)強(qiang)可(ke)編(bian)程(cheng)性(xing)或(huo)異(yi)步(bu)功(gong)能(neng)，簡(jian)單(dan)的(de)定(ding)時(shi)應(ying)用(yong)最(zui)終(zhong)都(dou)變(bian)得(de)複(fu)雜(za)和(he)不(bu)靈(ling)活(huo)了(le)。就(jiu)很(hen)多(duo)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)，這(zhe)絕(jue)對(dui)不(bu)是(shi)吸(xi)引(yin)的(de)選(xuan)擇(ze)。隨(sui)著(zhe)矽(gui)振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)出(chu)現(xian)
，基(ji)於(yu) RC 的定時器有了真正的競爭對手。

矽gui振zhen蕩dang器qi是shi徹che底di的de固gu態tai器qi件jian
，運yun用yong通tong過guo電dian流liu控kong製zhi的de頻pin率lv鎖suo定ding伺si服fu環huan路lu。該gai頻pin率lv控kong製zhi電dian流liu可ke用yong單dan個ge電dian阻zu器qi設she定ding，而er且qie其qi可ke編bian程cheng架jia構gou也ye允yun許xu單dan穩wen態tai工gong作zuo3。用矽振蕩器作為基本的“定時引擎”取代 RC 電路後，可提供更簡單
、更靈活和可編程性更高的定時方法。

因為矽振蕩器不依賴機械諧振組件
，而且是用標準 CMOS 技術製造，所以它們具有很高的抗衝擊
、抗振動和抗磨損性。這也意味著，矽振蕩器可以集成其他功能，如頻率可編程性、多相輸出、擴展頻譜頻率調製和智能啟動電路。矽振蕩器可在 10kHz 至 170MHz 的頻率範圍內工作，具有內置分壓器
，而且這個頻率範圍還可以擴展到極低的頻率4。矽振蕩器的準確度和功耗性能非常出眾。例如
，淩力爾特公司的 LTC6906 在 10kHz 至 1MHz 範圍內具有高於 99% 的準確度，同時吸取不到 80uA 的電流
淩力爾特公司最近推出了一個基於矽振蕩器的定時器件新係列，即 TimerBloxTM 係列。這些器件含有智能電路，可提供 5 種基本定時功能：電壓控製振蕩器 (VCO)、麵向長持續時間定時的非常低頻率時鍾
、脈衝寬度調製振蕩器 (PWM)
、單脈衝發生器和延遲構件。作為一個係列
，這些器件涵蓋了 29uHz (9.5 小時) 至 2MHz 的工作範圍
，具有 98% 或更高的典型頻率或時間準確度。每個 TimerBlox 器件提供 8 種單獨的工作頻率 / 時間範圍，可用一個簡單的電阻分壓器進行選擇。一旦範圍選定
，那麼用戶就可以用 25kΩ 至 800kΩ 的單個電阻器設定準確的頻率或時間。這種架構允許 TimerBlox 係列器件涵蓋很寬的工作範圍，同時確保電阻器尺寸對總體準確度或功耗產生的影響可以忽略不計 (通過設定電流產生的雜散電流和功耗可以忽略不計)。TimerBlox 係列器件在 2.25V 至 5.5V 的電源電壓範圍內工作，電源電流範圍為 60uA 至 250uA
，而且 TimerBlox 器件提供快速、首周期準確的啟動。20mA 輸出提供和吸收能力允許直接驅動光隔離器和變壓器
，以實現電氣隔離。TimerBlox 係列器件采用 SOT23 和纖巧的 DFN 封裝
，所有器件都可在 -40°C 至 125°C 的溫度範圍內工作。所有這些特色都是為了確保 TimerBlox 係列器件提供最簡單
、靈活和可編程的定時解決方案。采用這些器件
，設計師就不會麵對利用 RC 電路實現定時器或提供時鍾時所需的無情選擇了。RC 電路的作用現在可以縮回到一種更適中的水平，人們不再期望用 RC 電路應對“真正嚴重的定時問題”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，那麼 450uA 的電阻器電流就相當大了。
   
2 值得一提的是，典型的 555 定時器的比較器門限誤差 > ±5%。
  
3 淩力爾特公司有些矽振蕩器包括內置電流設定控製，從而無需外部設定電阻器。
   
4 淩力爾特公司的 LTC6991 提供非常低頻率的時鍾
，能以 9.5 小時的定時間隔工作。