CD4047B：低功耗單穩態/無穩態多諧振蕩器的設計與應用

在電子設計領域，多諧振蕩器是一種常見且重要的電路元件，它能產生方波信號，廣泛應用于各種數字設備中。今天我們要深入探討的是德州儀器（Texas Instruments）的CD4047B，一款CMOS低功耗單穩態/無穩態多諧振蕩器，它具有高電壓額定值（20V），在眾多應用場景中表現出色。

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一、CD4047B的基本特性

1. 功能概述

CD4047B由一個可門控的無穩態多諧振蕩器組成，采用邏輯技術，允許正或負邊沿觸發的單穩態多諧振蕩器動作，還具備重觸發和外部計數選項。其輸入包括+TRIGGER、-TRIGGER、ASTABLE、ASTABLE、RETRIGGER和EXTERNAL RESET，緩沖輸出為Q、Q和OSCILLATOR。

2. 特點總結

• 低功耗：采用特殊的CMOS振蕩器配置，有效降低功耗。
• 兩種工作模式：支持單穩態（單次觸發）或無穩態（自由運行）操作。
• 輸出形式：提供真和互補緩沖輸出。
• 外部元件需求少：僅需一個外部電阻R和電容C。
• 緩沖輸入：增強信號穩定性。
• 參數特性：在20V時對靜態電流進行100%測試，具有標準化、對稱的輸出特性，以及5V、10V和15V的參數額定值，符合JEDEC暫行標準No.13B。

二、工作模式及原理

1. 無穩態模式

在無穩態模式下，通過在ASTABLE輸入上施加高電平或低電平，或兩者同時施加，可使電路進入工作狀態。Q和Q輸出端的方波周期是所使用的外部元件的函數，典型周期為$t_A(10,11)=4.40 RC$ 或$t_A(13)=2.20 RC$。此外，“True”輸入脈沖或“Complement”脈沖可使電路用作可門控多諧振蕩器，OSCILLATOR輸出周期在無穩態模式下將是Q端輸出的一半，但不能保證50%的占空比。

2. 單穩態模式

當+TRIGGER輸入出現正邊沿，同時-TRIGGER保持低電平時，CD4047B在單穩態模式下觸發。輸入脈沖的持續時間相對于輸出脈沖可以是任意的。單穩態模式下的輸出脈沖寬度為$t_M(10,11)=2.48 RC$ ，且輸出脈沖寬度獨立于觸發脈沖持續時間。

3. 重觸發模式

若需要重觸發功能，可對RETRIGGER輸入施加脈沖。重觸發模式僅限于正邊沿觸發，只要RETRIGGER輸入為高電平，CD4047B就會重觸發。

4. 外部計數選項

通過將“Q”耦合到外部“N”計數器，并使用觸發脈沖重置計數器，可實現外部倒計時選項。計數器輸出脈沖反饋到ASTABLE輸入，其持續時間等于多諧振蕩器周期的N倍。

三、電氣特性

1. 靜態電氣特性

文檔詳細列出了不同溫度和電壓條件下的靜態電氣特性，包括靜態電流IDD、輸出低（灌電流）電流IoL、輸出高（拉電流）電流IoH、輸出電壓VoL和VoH、輸入低電壓VIL、輸入高電壓VIH以及輸入電流IN等參數的極限值。

2. 動態電氣特性

在$T_A = 25^{circ}C$、輸入$t_r = t_f = 20 ns$、$C_L = 50 pF$和$R_L = 200 kΩ$的條件下，給出了傳播延遲時間、過渡時間、最小輸入脈沖寬度、輸入上升和下降時間、Q或Q偏離50%占空比以及輸入電容CIN等動態參數的限制值。

四、設計信息

1. 無穩態模式設計

在無穩態模式下，單元間的傳輸電壓變化會導致周期變化。典型情況下，$V{TR}=0.5 V{DD}$時，$tA = 4.40 RC$；當$V{TR}$在33% - 67%$V_{DD}$范圍內變化時，周期變化為+5%， - 0%。

2. 單穩態模式設計

單穩態模式下，同樣存在傳輸電壓變化導致的脈沖寬度變化。典型情況下，$V{TR}=0.5 V{DD}$時，$tM = 2.48 RC$；當$V{TR}$在33% - 67%$V_{DD}$范圍內變化時，脈沖寬度變化為+9.3%， - 0%。

3. 重觸發模式操作

CD4047B可在重觸發模式下擴展輸出脈沖持續時間，或比較輸入信號與內部振蕩器的頻率。在重觸發模式下，輸入脈沖施加到端子12，輸出從端子10或11獲取。為保持與先前計算公式的一致性，推薦的元件值為：無穩態模式下$C≥100 pF$，單穩態模式下$C > 1000 pF$，$10 kΩ ll R leq 1 MΩ$。

五、功率消耗

在待機模式（單穩態或無穩態）下，功耗是電路中泄漏電流的函數。在動態操作中，為外部定時電容C充電所需的功率可通過以下公式計算：

• 無穩態模式：
  • 端子13輸出：$P = 2 C V^2 f$
  • 端子10和11輸出：$P = 4 C V^2 f$
• 單穩態模式： 端子10和11輸出：$P=frac{(2.9 C V^2) (Duty Cycle)}{T}$

六、封裝信息

CD4047B提供多種封裝形式，包括14引腳密封雙列直插陶瓷封裝（F3A后綴）、14引腳雙列直插塑料封裝（E后綴）、14引腳小外形封裝（M、MT、M96和NSR后綴）和14引腳薄收縮小外形封裝（PW和PWR后綴）。不同封裝在引腳數量、包裝數量、環保標準、引腳鍍層/球材料、濕度敏感度等級、峰值溫度、工作溫度范圍和器件標記等方面存在差異。

七、應用領域

CD4047B適用于對低功耗和/或高抗噪性有主要設計要求的數字設備，如包絡檢測、頻率乘法、頻率除法、頻率鑒別器、定時電路和延時應用等。

八、總結與思考

CD4047B作為一款功能強大的多諧振蕩器，具有多種工作模式、低功耗和良好的電氣特性，為電子工程師在數字電路設計中提供了豐富的選擇。在實際應用中，我們需要根據具體需求合理選擇工作模式和外部元件參數，同時要考慮溫度、電壓等因素對電路性能的影響。大家在使用CD4047B的過程中，有沒有遇到過一些特殊的問題或挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。