德州儀器CD4047B：多功能低功耗多諧振蕩器的設計與應用

引言

在電子設計領域，多諧振蕩器是一種常用的電路元件，可用于產生各種信號。德州儀器的CD4047B是一款高性能的CMOS低功耗單穩態/無穩態多諧振蕩器，具有多種工作模式和豐富的特性，適用于多種數字設備。本文將深入探討CD4047B的特點、工作模式、電氣特性以及應用設計，為電子工程師提供全面的參考。

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一、CD4047B概述

CD4047B集成了可門控的無穩態多諧振蕩器，采用邏輯技術實現正或負邊沿觸發的單穩態多諧振蕩器功能，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，輸出有Q、Q和OSCILLATOR。在所有工作模式下，外部電容需連接在C - Timing和RC - Common端子之間，外部電阻需連接在R - Timing和RC - Common端子之間。

二、工作模式

（一）無穩態模式

1. 工作原理

無穩態模式可通過ASTABLE輸入的高電平或ASTABLE輸入的低電平，或兩者同時作用來啟用。在該模式下，Q和Q輸出端的方波周期是外部元件參數的函數。ASTABLE輸入的“真”輸入脈沖或ASTABLE輸入的“互補”脈沖可使電路作為可門控多諧振蕩器使用。OSCILLATOR輸出周期在無穩態模式下是Q端子輸出周期的一半，但不能保證50%的占空比。

2. 周期計算

周期計算公式為： $t{1}=-R C ln frac{V{T R}}{V{D D}+V{T R}}$，典型值$t{1}=1.1 R C$； $t{2}=-R C ln frac{V{D D}-V{T R}}{2 V{D D}-V{T R}}$，典型值$t{2}=1.1 R C$； $t{A}=-2 R C ln frac{left(V{T R} / V{D D}-V{T R}right)}{left(V{D D}+V{T R}right)left(2 V{D D}-V{T R}right)}$； 典型情況下，$V{TR}=0.5 V{D D}$，$t{A}=4.40 R C$；最小$V{T R}=0.33 V{D D}$，$t{A}=4.62 R C$；最大$V{T R}=0.67 V{D D}$。若使用$t{A}=4.40 RC$，由于傳輸電壓變化，變化范圍為+5%， - 0%。

（二）單穩態模式

1. 觸發條件

當+TRIGGER輸入出現正邊沿且 - 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。

2. 脈沖寬度計算

脈沖寬度計算公式為： $t{1}'=-R C ln frac{V{T R}}{2 V{D D}}$，典型值$t{1}'=1.38 R C$； $t{M}=left(t{1}+t{2}right)$，$t{M}=-R C ln frac{left(V{T R}right)left(V{D D}-V{T R}right)}{left(2 V{D D}-V{T R}right)left(2 V{D D}right)}$； 典型情況下，$V{TR}=0.5 V{D D}$，$t{M}=2.48 R C$；最小$V{T R}=0.33 V{D D}$，$t{M}=2.71 R C$；最大$V{T R}=0.87 V{D D}$，$t{M}=2.48 R C$。若使用$t{M}=2.48 RC$，由于傳輸電壓變化，變化范圍為+9.3%， - 0%。

（三）重觸發模式

CD4047B可在重觸發模式下使用，以延長輸出脈沖持續時間，或比較輸入信號頻率與內部振蕩器頻率。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。當施加一個重觸發脈沖時，可獲得正常的單穩態動作；當施加多個脈沖時，可獲得延長的脈沖持續時間。

（四）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。輸出脈沖持續時間公式為$t{ext}=(N - 1)left(t{A}right)+left(t{M}+t{A} / 2right)$。

三、電氣特性

（一）靜態電氣特性

包括靜態電流、輸出低電平（灌電流）、輸出高電平（拉電流）、輸入低電壓、輸入高電壓和輸入電流等參數。這些參數在不同的電源電壓和溫度條件下有不同的取值范圍。例如，在電源電壓為5V、溫度為25°C時，靜態電流Typ值為0.02μA，Max值為1μA。

（二）動態電氣特性

在$T{A}=25^{circ} C$、輸入$t{r}=t{f}=20 ns$、$C{L}=50 pF$、$R_{L}=200 k Omega$的條件下，給出了傳播延遲時間、轉換時間、最小輸入脈沖寬度等參數。例如，Astable、Astable到Osc.Out的傳播延遲時間，在電源電壓為10V時，Typ值為100ns，Max值為200ns。

四、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、定時電路和時間延遲應用等。

五、設計注意事項

（一）推薦工作條件

為確保最大可靠性，電源電壓范圍在TA為全封裝溫度范圍時為3 - 18V。若在15V工作時使用10MΩ電阻，工作溫度應在 - 25°C至100°C之間。

（二）最大額定值

包括直流電源電壓范圍、每封裝功耗、每個輸出晶體管的器件功耗、工作溫度范圍、存儲溫度范圍和焊接時的引腳溫度等絕對最大額定值。例如，工作溫度范圍為 - 55°C至 + 125°C。

（三）元件選擇

為保持與先前計算公式的一致性，無穩態模式下，電容C≥100pF；單穩態模式下，C > 1000pF。電阻R應滿足$10 k Omega ll R leq 1 M Omega$。

六、封裝信息

CD4047B提供多種封裝選項，如14引腳的陶瓷雙列直插式封裝（F3A后綴）、塑料雙列直插式封裝（E后綴）、小外形封裝（M、MT、M96和NSR后綴）和薄收縮小外形封裝（PW和PWR后綴）。不同封裝在引腳數量、封裝類型、環保計劃、引腳鍍層/球材料、MSL峰值溫度、工作溫度和器件標記等方面有所不同。

七、總結

CD4047B作為一款功能強大的多諧振蕩器，具有低功耗、多種工作模式和豐富的特性，適用于多種數字設備。在設計過程中，電子工程師需要根據具體應用需求，合理選擇工作模式、電氣參數和外部元件，同時注意推薦工作條件和最大額定值，以確保電路的可靠性和穩定性。你在使用CD4047B進行設計時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。