取替 RC采用硅振荡器定时更胜一筹

人们也许会说，17 世纪是个野蛮残暴的时代，就医疗技术而言，确实如此。因为理发师就是外科医师，多严重的问题也是他们来解决。他们的解决办法常常是外科手术，而且不用消毒剂和麻醉剂。理发师是专家，负责去掉妨碍人们健康的任何东西：头发、牙齿、附属器官、活命的体液，等等。对我们来说，幸运的是，理发师的从业范围已经缩小到了比较适中的水平，现在由专门的医疗专家来解决“真正严重的问题”。理发师充当外科医师的悠久历史很好地说明了技术进步的过程。诚然，在电子产品领域，生命周期有时非常短暂，我们没有时间迷恋任何特定的技术。但是，对于古老的 RC 电路，情况却不是这样，数 10 年来，RC 电路一直是一种广受欢迎的定时组件。你只需观察一下 555 定时器使用的广泛程度就够了，依靠 RC 电路的 555 定时器发明至今已经近 40 年了。即使最近几年，新的 555 定时器版本仍然不断在市场上出现。而且，不仅仅是 555 定时器，还有无数集成式器件依靠 RC 电路实现定时，因为 RC 电路一直是最简单、最灵活和可编程度最高的选择。但是，无论 RC 电路是如何实现的，使用 RC 电路总是伴随着诸多限制。现在，随着一类新的和基于硅振荡器技术的定时器件的出现，上述情形就发生了改变。

也许最简单、最常见的电子电路是电阻器和电容器串联后连接到地所形成的电路。如图 1 所示，当电压加在电阻器上时，电容器上的电压响应会呈现指数规律：V_C = V_R (1-e^-t/)，当电阻器接地时，电容器上的电压响应会呈现类似但反向的指数规律：V_C = V_INITIAL(e^-t/)。这种简单和可预测的时间响应使这种电路成为滤除噪声、降低快速信号边沿速度、保护设备输入、避免竞态情况以及解决其他无数定时问题的理想解决方案。即使没有给电路添加电阻器或电容器，由于走线或连线中的电阻，这种电路实际上也常常存在。

图 1：

增加若干组件以后，具有可预测的充电和放电特性的 RC 电路就可用作电子定时组件了。RC 电路的一个良好特性是，可用来设定具有单稳态和非稳态响应的时序，如图 2 所示。在单稳态工作模式时，触发器打开开关，电容器充电，当电容器达到 2V 时，比较器使输出复位。要实现启动、停止排序或延迟一个事件等异步时序时，单稳态工作是必需的。在非稳态工作模式，反馈信号不断改变电容器的充电和放电方向，保持电容器电压在一个固定范围内 (本例为 1V 到 2V 之间)。结果，只要保持对电路的供电，就能产生连续的脉冲串，或者形成振荡器。

图 2：简化的 555 电路说明了如何利用 RC 电路

频率和时间的可编程性是 RC 电路的关键特性，而且取决于工程师是否能找到合适的电阻器和电容器组合。不同尺寸和类型的电容器很多，但是需要在准确度、尺寸和成本之间进行权衡。使用 NP0/COG 型电容器可得到最佳容限为 1-2%。但是因为 NP0 / COG 电容器的容量超过 1uF 以后，价格非常昂贵，所以设计师有可能折中使用容限为 5% 或更差的电容器，5% 容限是其他类型电容器的典型值。就非常小的电容值而言，设计师应该知道，杂散电容或栅电容会引起误差。例如，在图 2 中，比较器输入端仅存在几 pF 的电容，就会引起 1% 的误差。除了这些问题，可能还存在其他电容器误差源，如 ESR、温度系数和泄漏电流。面对所有这些电容器问题，在半导体芯片中集成 RC 电容器似乎是个不错的想法。但是，因为基于半导体的准确电容器需要占用很大的芯片面积 (即使采用非常小的电容值)，并需要进行大量微调，所以这是一种昂贵的解决方案。由于 RC 值选择范围和较高成本的限制，在采用 RC 电路时，这不是一种常见的选择，因此外部电容器令人头痛的诸多问题也许永远不会消失。

面对电容器受到的实际限制，电阻器的选择变得更加关键了，不过电阻器也受到一些限制。如果 RC 电路的电阻非常小，就会产生功耗后果，因为大量功率浪费在电阻器上了。例如，图 2 中的 RC 电路吸取超过 1mA 的峰值电流，而且在非稳态工作 (振荡器) 模式时，两个外部电阻器本身就吸取了 450uA 的平均电流¹。另一方面，表面泄漏和输入偏置电流会限制最大电阻值。在有几 nA 的杂散或偏置电流时，超过 10MΩ 的电阻器就会因为这些电流产生可观的误差。

假定可获得合适的电阻器和电容器，但是由于充电和放电响应曲线的非线性，RC 电路中仍然还有另一个重要的误差源。在定时响应中，任何比较器门限误差都被放大超过 2.5 倍。例如，±2% 的比较器门限误差产生大约 ±5.4% 的定时误差²。就非稳态工作模式而言，这个问题不仅以频率误差的形式显现，而且还导致占空比误差。图 3 说明了这种误差源的影响。请注意，指数响应曲线的内在误差由具有线性响应曲线的硅振荡器消除了。

图 3：由比较器门限变化引起的 RC 电路误差

可编程性的优点之一是能实现电压控制的调制 (VCO)、脉冲宽度调制 (PWM)、脉冲持续时间调制和其他类型的动态时间或频率调制。很多应用都需要这种能力：音调信号发生、加热器控制、电动机控制、脉冲发生 … 等等。专门论述用 555 型或其他 RC 电路实现这类应用的网页、书籍、文章和短文数不胜数，这也说明需求是显而易见的。无论是 555 定时器还是其他电路，用 RC 电路实现定时需要调节比较器门限电压或 RC 响应曲线。伴随比较器门限调节而来的是多种误差，如上所述。最简单的实现控制的方法需要使用电位器或可变电容器来调节 RC 时间常数。实事求是地说，大多数实现方法都需要大量额外电路 (如闭环反馈网络)，以补偿很多误差源。