產(chǎn)生低失真正弦波的CMOS六角反相器

      本設(shè)計(jì)實(shí)例提供了一種可作為微控制器替代品的簡(jiǎn)單、廉價(jià)及便攜式設(shè)備電路，來(lái)為音頻電路設(shè)計(jì)與調(diào)試提供各種低失真正弦波信號(hào)源。盡管從直接數(shù)字合成器 (DDS) 產(chǎn)生的正弦波具有更高的穩(wěn)定性及更少的諧波成分和其他寄生頻率成分，但這是一種能讓設(shè)計(jì)人員采用凌特科技公司LTSpice 免費(fèi)件并磨礪其電路仿真技能的更具“顛覆性”的方法。振蕩器包括一個(gè)頻率測(cè)定網(wǎng)絡(luò)以及一種用于防止電路飽和、波形削波及諧波產(chǎn)生的振蕩幅度限制方法。許多音頻振蕩器設(shè)計(jì)均采用經(jīng)典維氏電橋帶通濾波器拓?fù)洌谉霟?、熱敏電阻器或JFET 電路作為幅度敏感電阻器來(lái)自動(dòng)改變反饋及限幅。

　　但幅度敏感電阻器會(huì)引入可導(dǎo)致振蕩器穩(wěn)定時(shí)產(chǎn)生幅度振鈴的較小延遲。此外，該限幅器的“軟”特性還要求使用可緊密跟蹤以及將電平幅度響應(yīng)保持在振蕩范圍以?xún)?nèi)的頻率測(cè)定元件。二極管限幅器具有比放大器進(jìn)入“硬”限幅狀態(tài)更軟的特性，并且它還會(huì)引入無(wú)包絡(luò)延遲。維式電橋?yàn)V波器的頻率響應(yīng)比較緩慢，因此不足以抑制由限幅（或削波）引起的諧波頻率。結(jié)果，大多數(shù)高質(zhì)量振蕩器的設(shè)計(jì)者均避免使用硬削波限幅器。

　　圖1顯示一種非常規(guī)使用邏輯電路的正弦波振蕩器設(shè)計(jì)。由于其采用可在單一電路內(nèi)提供經(jīng)過(guò)緩沖的高通、帶通及低通濾波節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，故該振蕩器依靠可顯著提高基頻響應(yīng)速度的欠阻尼、雙極低通濾波器的峰值特性。此外，濾波器的低通節(jié)點(diǎn)可提供12dB/倍頻程的諧波衰減。狀態(tài)可變環(huán)路由2個(gè)積分器及一個(gè)可提供180°相移的加法放大器組成。其中2個(gè)積分器的每一個(gè)都能增加幾乎 -90° 的附加相移，因此整個(gè)環(huán)路對(duì)振蕩呈現(xiàn)出略小于360 °或0°的相移與單位增益。

　　環(huán)路增益模塊由強(qiáng)調(diào)電路簡(jiǎn)化、寬帶寬與自參考邏輯閥值的無(wú)緩沖74HCU04 CMOS 反相器組成。每個(gè)獨(dú)立的反相器可提供每級(jí)大約為 15dB 的較低電壓增益。當(dāng)以A類(lèi)線(xiàn)性模式工作時(shí)，反相器產(chǎn)生無(wú)交叉失真，從而產(chǎn)生可迅速隨諧波階增加而減小的諧波波幅。此外，74HCU04包裝含有6個(gè)反相器，這就有可能形成一個(gè)單器件振蕩器電路。

　　為了解電路是如何工作的，我們將 IC_1C 輸入的求和節(jié)點(diǎn)用作相位參考。加法放大器 IC1C可提供第一個(gè) 180°相移（反相）。反相器/積分器 IC_1A與 IC_1B每一個(gè)都具有增益等于大約15的品質(zhì)因素 Q，并為每個(gè) 180-86=94°的整體提供 -86°的相移。三級(jí)放大的總相位余量為 180+94+94=8°。現(xiàn)在電路的相移總計(jì)偏離振蕩所需的“理想” 0° 相位 8°。大約為 7.5的總電路 Q 可提供大約 17 dB的升壓基頻濾波作用。但在8°相移時(shí)，電路不振蕩。

　　為獲得振蕩所需的精確360°相移，我們使用取自濾波器帶通抽頭并工作于180+180-86 = -86°相角上的少量信號(hào)。加上7.5的電路Q(chēng)，將帶通濾波器上的帶通中間輸出信號(hào)衰減4倍，電路便以足夠的增益及相位余量而產(chǎn)生振蕩。由于其對(duì)稱(chēng)內(nèi)部配置，CMOS反相器電路試圖保持其電源電壓一半的邏輯閥值。但N溝道MOS晶體管比P溝道MOS晶體管具有更強(qiáng)的導(dǎo)電能力，故邏輯閥值略微偏向負(fù)電源。如果您照現(xiàn)在這樣用它來(lái)限制振蕩幅度，則不平衡可能會(huì)導(dǎo)致非對(duì)稱(chēng)，可將一對(duì)背靠背 1N4148 二極管D₁和D₂用作對(duì)稱(chēng)限幅器，以避免柵極將帶通濾波器的輸出削波。

　　軟削波通過(guò)在削波器的輸出上產(chǎn)生 -17 dB 的三次諧波電平，可放寬對(duì)濾波器的性能要求。濾波器響應(yīng)在振蕩頻率的 17 dB處達(dá)到峰值，且低通節(jié)點(diǎn)可為-54 dB 的理論三次諧波的總體抑制提供20 dB的三次諧波衰減。實(shí)際上，CMOS 器件的增益與閥值特性與理想指標(biāo)并不一致，因此，電路在低通節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生大約有1% 失真的正弦波，這對(duì)于預(yù)期應(yīng)用來(lái)說(shuō)為一個(gè)可接受水平。用運(yùn)放來(lái)代替 CMOS 反相器可進(jìn)一步提高性能。

　　濾波器的高通節(jié)點(diǎn)為第一積分器提供輸入信號(hào)，且2個(gè)級(jí)聯(lián)積分器對(duì)所有頻率成分而言其相移均接近180°并將諧波頻率衰減1/N2倍。其中N代表諧波次數(shù)。從低通濾波器信號(hào)減去一些由二極管限幅器產(chǎn)生的諧波所組成的高通信號(hào)，可進(jìn)一步減少輸出的諧波成分。電阻器R8與R9構(gòu)成一個(gè)10比1消除電路，可為信號(hào)輸出端的 0.5% 失真數(shù)字提供額外的6dB 諧波縮減。圖2顯示500Hz輸出基頻的諧波水平。

　　振蕩發(fā)生在積分器容性電抗等于積分器阻抗的單位增益處，其頻率等于1/(2×π×R×C)，其中R=(R_V1+R₂)=(R_V2+R₃) ，且C=C₁=C₂。對(duì)于 C=10 nF及8～80 kΩ的R值，電路產(chǎn)生200Hz至2 kHz 的頻率。您可以用一個(gè)100kΩ的雙聯(lián)立體聲音頻電位器來(lái)進(jìn)行頻率控制。該控制的聯(lián)動(dòng)部分可確保積分器的阻抗足以相互跟蹤。為覆蓋2Hz至200 kHz的音頻頻率范圍，需增加一個(gè)雙聯(lián)波段開(kāi)關(guān)（圖中未繪出）來(lái)選擇其值分別為1mF、100 nF、10nF、1nF及100pF的電容器對(duì)。您可以使用溫度穩(wěn)定的匹配陶瓷電容器對(duì)，但薄膜介質(zhì)電容器可提高頻率穩(wěn)定度。補(bǔ)償電容器C3可改善更高頻率的輸出平坦度。在一個(gè)典型頻段內(nèi)，輸出幅度的平坦度保持在1dB以?xún)?nèi)。

　　通過(guò)分開(kāi)由AA大小的鎳鎘或鎳氫電池等4節(jié)活動(dòng)電池組所形成的5V電源，可將IC₁三個(gè)剩余反相器中的IC_1F用作虛擬－接地發(fā)生器。它們平均從電池中拽取50-60mA的電流。開(kāi)關(guān)S₁連接剩余反相器 IC_1D和IC_1E，以構(gòu)成一個(gè)用于正弦輸出的單位增益緩沖放大器，或作為一個(gè)施密特觸發(fā)器來(lái)產(chǎn)生方波輸出。電阻器R11用于設(shè)定施密特觸發(fā)器的滯后電平。為便于構(gòu)造，可使用一個(gè)穿孔原型板及 74HCU04的DIP方案。
　　當(dāng)您構(gòu)建電路時(shí)，請(qǐng)注意 74HCU04 可在高頻下提供可觀的增益，且過(guò)長(zhǎng)的引線(xiàn)會(huì)引起寄生振蕩，通過(guò)降低甚高頻（VHF）范圍內(nèi)該頻率上的增益，電阻器R1

可幫助抑制這種振蕩。若您減小電路值，則該振蕩器很容易在高頻范圍內(nèi)工作，而且盡管它不如 LC 振蕩器穩(wěn)定，但該電路容易在較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。