基于运算放大器和晶体管的模拟方波发生器设计
模拟振荡器电路通常用于产生用于同步电路定时的方波时钟信号。本文介绍了模拟方波发生器的理论、设计和关键特性。
许多电子系统需要定时机制。这通常是通过时钟信号完成的，时钟信号是特定频率的方波。对于许多应用，时钟信号是通过方波振荡器在系统内生成的。然而，该方波信号也可以作为系统的输入。
由于许多模拟和数字电路都可以用作方波振荡器，我们的目标是涵盖这两种类型；然而，在本文中，我们将讨论模拟振荡器的设计，介绍它们的工作原理，并回顾它们的优缺点。
使用可调多谐振荡器的运算放大器方波发生器
我们将研究的第一个电路是一个称为非稳态多谐振荡器的单运算放大器电路，如图1所示。
用于产生方波的单运算放大器非稳态多谐振荡器。
图1。用于产生方波的单运算放大器非稳态多谐振荡器。
如果您暂时忽略从输出VOUT到负输入Vc的RC反馈，您可能会将此电路的其余部分识别为具有滞后的施密特触发器。施密特触发器具有正反馈，只有两个稳定的工作点（VOUT=VDD或VOUT=VSS）。正如我们将解释的那样，非稳态多谐振荡器配置依赖于这种正反馈和滞后。
电路启动后，电容器（C）完全放电到地。由于任何放大器的输入之间都存在内部偏移，正反馈将确保输出被驱动到两个稳定状态之一（取决于内部偏移是正还是负）。
现在，让我们假设VOUT在开始时被驱动到正轨（VDD）。此时，Vc将开始通过电阻器R3充电，Vp处的电压可以使用电阻器分压器方程计算：
从这里开始，Vc将继续充电，直到它变得略大于Vp处的阈值电压。此时，VOUT将下拉到负轨（VSS），Vc将开始放电。
随着VOUT的新值等于VSS，我们还有一个新的阈值电压：
接下来，Vc将继续放电，直到它变得低于Vp处的电压。然后，输出将被驱动回正电源轨VDD。此过程将周期性地继续，从而在运算放大器的输出端产生方波。
运算放大器方波仿真：电压波形和频率
对于图1的电路，让我们插入一些组件值和仿真性能：
R1=R2=10 kΩ
R3=1 kΩ
C=1 uF
VDD=+5伏
VSS=-5伏
在图2中，我们绘制了Vc、VOUT和Vp的电压波形。
运算放大器非稳态多谐振荡器方波振荡器仿真。顶部：VOUT（绿色）。底部：Vc（蓝色）和Vp（红色）
图2:运算放大器非稳态多谐振荡器方波振荡器仿真。顶部：VOUT（绿色）。底部：Vc（蓝色）和Vp（红色）
正如我们所看到的，Vc充电和放电到之前由R1和R2之间的电阻分压器和电源电压定义的跳闸点。触发点Vhigh和Vlow定义为：
图2中的波形频率为451 Hz。它由图1中R3和C的RC时间常数定义，该常数是在Vhigh和Vlow之间对电容器进行充电和放电所必需的。
为了准确计算电路在元件方面的频率，我们必须利用RC电路的充电/放电方程。充电方程的一般形式为：
求解该方程中的t，我们得到：
现在，如果我们假设从Vlow充电到Vhigh的时间，Vmax=VDD，我们将充电和放电的时间加倍，我们得到输出周期：
该方程表明，RC时间常数占主导地位，而R1和R2的值与周期的关系较弱，因为它们改变了电容器必须充电和放电的跳闸点。
如果我们插入R1、R2、R3和C的值，我们得到一个455 Hz的周期，这与模拟中我们的451 Hz频率几乎匹配。
该电路简单、有效，支持低频和高频，受运算放大器在开关事件期间驱动输出的转换速率的限制。缺点是输出摆动不能变小，从而对频率设置了一个硬限制，因为输出必须从一个轨道摆动到另一个轨道。
为了用一个从地（0V）摆动到VDD的单电源运算放大器构建这个电路，连接到电容器和电阻器R1的接地节点必须改变为中频电压——通常
基于BJT的晶体管方波振荡器
非稳态多谐振荡器也可以用分立晶体管代替运算放大器制成。图3中显示了使用双极结型晶体管（BJT）的示例。
用于方波产生的基于BJT的非稳态多谐振荡器。
图3。用于方波产生的基于BJT的非稳态多谐振荡器。
当这个电路启动时，一个晶体管，假设Q2，将进入“截止”区域，在那里它不导电。这将导致集电极节点（Q2顶部）充电至VDD。
同时，Q1将饱和并因此导通电流。这将导致连接到Q2基极的C1节点通过R3充电，直到Q2达到饱和。当被推到饱和状态时，C2右侧的急剧电压降会在Q1的基极产生强烈的负响应，将其推向截止状态。
这种推挽行为持续发生，在Q1和Q2的集电极上产生输出电压波形。输出是频率相同但相位相反的方波。由于Q1和Q2的基极分别通过R3与C1和R2与C2的RC电路充电/放电，我们可以将发电机的输出周期定义为：
在瞬态波形中，t1是集电极Q1处的输出脉冲宽度，而t2是集电极Q2处的脉冲宽度。从方程中可以看出，t1不需要等于t2，因此我们可以创建可变占空比的矩形波形。
这种行为在图4的模拟结果中得到了证明。对于这个模拟，我们设计了一个占空比为50%的电路，t1=t2。
具有对称输出的双极晶体管非稳态多谐振荡器输出。
图4。具有对称输出的双极晶体管非稳态多谐振荡器输出。
此模拟的组件值为：
R1=R4=1 kΩ
R2=R3=100 kΩ
C1=C2=10纳法
BJT是标准的2N2222 NPN。因此，我们基本方程中的预期时间常数为：
我们模拟的测量结果为681μs，接近我们690μs的设计值。
我们还可以改变这种设计，使其具有非对称性能。如果我们将R2的电阻减半至50kΩ，我们可以将t2的周期更改为345us。更改后该电路的仿真结果如图5所示。
具有非对称输出的双极晶体管非稳态多谐振荡器输出。
图5。具有非对称输出的双极晶体管非稳态多谐振荡器输出。
从图5中，我们可以看到创建具有易于调节占空比的非对称输出矩形波的能力。仿真结果为t1=681μs和t2=335μs，再次接近我们的设计方程预测的结果。
总体而言，与运算放大器振荡器相比，基于BJT的非稳态多谐振荡器具有更大的灵活性。虽然结构稍微复杂一些，但它不需要负电源，既能产生输出，也能产生互补。它还能够形成可变频率和占空比的通用矩形波，而不是可变频率的纯方波。
模拟方波发生器电路综述
方波振荡器的模拟实现依赖于通过RC充电/放电的反馈机制，该机制定义了方波频率。虽然不限于纯方波，如BJT版本的非稳态多谐振荡器所示，但这两种电路都允许通过简单的电路生成高度可配置的方波，而不需要参考信号。
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