取替RC採用矽振蕩器定時更勝一籌

人們也許會說，17 世紀是個野蠻殘暴的時代，就醫療技術而言，確實如此。因為理髮師就是外科醫師，多嚴重的問題也是他們來解決。他們的解決辦法常常是外科手術，而且不用消毒劑和麻醉劑。理髮師是專家，負責去掉妨礙人們健康的任何東西：頭髮、牙齒、附屬器官、活命的體液，等等。對我們來說，幸運的是，理髮師的從業範圍已經縮小到了比較適中的水平，現在由專門的醫療專家來解決「真正嚴重的問題」。理髮師充當外科醫師的悠久歷史很好地說明了技術進步的過程。誠然，在電子產品領域，生命周期有時非常短暫，我們沒有時間迷戀任何特定的技術。但是，對於古老的 RC 電路，情況卻不是這樣，數 10 年來，RC 電路一直是一種廣受歡迎的定時組件。你只需觀察一下 555 定時器使用的廣泛程度就夠了，依靠 RC 電路的 555 定時器發明至今已經近 40 年了。即使最近幾年，新的 555 定時器版本仍然不斷在市場上出現。而且，不僅僅是 555 定時器，還有無數集成式器件依靠 RC 電路實現定時，因為 RC 電路一直是最簡單、最靈活和可編程度最高的選擇。但是，無論 RC 電路是如何實現的，使用 RC 電路總是伴隨著諸多限制。現在，隨著一類新的和基於矽振蕩器技術的定時器件的出現，上述情形就發生了改變。

也許最簡單、最常見的電子電路是電阻器和電容器串聯後連接到地所形成的電路。如圖 1 所示，當電壓加在電阻器上時，電容器上的電壓響應會呈現指數規律：VC = VR (1-e-t/)，當電阻器接地時，電容器上的電壓響應會呈現類似但反向的指數規律：VC = VINITIAL(e-t/)。這種簡單和可預測的時間響應使這種電路成為濾除噪聲、降低快速信號邊沿速度、保護設備輸入、避免競態情況以及解決其他無數定時問題的理想解決方案。即使沒有給電路添加電阻器或電容器，由於走線或連線中的電阻，這種電路實際上也常常存在。

圖 1：

增加若干組件以後，具有可預測的充電和放電特性的 RC 電路就可用作電子定時組件了。RC 電路的一個良好特性是，可用來設定具有單穩態和非穩態響應的時序，如圖 2 所示。在單穩態工作模式時，觸發器打開開關，電容器充電，當電容器達到 2V 時，比較器使輸出復位。要實現啟動、停止排序或延遲一個事件等異步時序時，單穩態工作是必需的。在非穩態工作模式，反饋信號不斷改變電容器的充電和放電方向，保持電容器電壓在一個固定範圍內 (本例為 1V 到 2V 之間)。結果，只要保持對電路的供電，就能產生連續的脈衝串，或者形成振蕩器。

圖 2：簡化的 555 電路說明了如何利用 RC 電路

頻率和時間的可編程性是 RC 電路的關鍵特性，而且取決於工程師是否能找到合適的電阻器和電容器組合。不同尺寸和類型的電容器很多，但是需要在準確度、尺寸和成本之間進行權衡。使用 NP0/COG 型電容器可得到最佳容限為 1-2%。但是因為 NP0 / COG 電容器的容量超過 1uF 以後，價格非常昂貴，所以設計師有可能折中使用容限為 5% 或更差的電容器，5% 容限是其他類型電容器的典型值。就非常小的電容值而言，設計師應該知道，雜散電容或柵電容會引起誤差。例如，在圖 2 中，比較器輸入端僅存在幾 pF 的電容，就會引起 1% 的誤差。除了這些問題，可能還存在其他電容器誤差源，如 ESR、溫度係數和洩漏電流。面對所有這些電容器問題，在半導體晶片中集成 RC 電容器似乎是個不錯的想法。但是，因為基於半導體的準確電容器需要佔用很大的晶片面積 (即使採用非常小的電容值)，並需要進行大量微調，所以這是一種昂貴的解決方案。由於 RC 值選擇範圍和較高成本的限制，在採用 RC 電路時，這不是一種常見的選擇，因此外部電容器令人頭痛的諸多問題也許永遠不會消失。

面對電容器受到的實際限制，電阻器的選擇變得更加關鍵了，不過電阻器也受到一些限制。如果 RC 電路的電阻非常小，就會產生功耗後果，因為大量功率浪費在電阻器上了。例如，圖 2 中的 RC 電路吸取超過 1mA 的峰值電流，而且在非穩態工作 (振蕩器) 模式時，兩個外部電阻器本身就吸取了 450uA 的平均電流1。另一方面，表面洩漏和輸入偏置電流會限制最大電阻值。在有幾 nA 的雜散或偏置電流時，超過 10MΩ 的電阻器就會因為這些電流產生可觀的誤差。

假定可獲得合適的電阻器和電容器，但是由於充電和放電響應曲線的非線性，RC 電路中仍然還有另一個重要的誤差源。在定時響應中，任何比較器門限誤差都被放大超過 2.5 倍。例如，±2% 的比較器門限誤差產生大約 ±5.4% 的定時誤差2。就非穩態工作模式而言，這個問題不僅以頻率誤差的形式顯現，而且還導致佔空比誤差。圖 3 說明了這種誤差源的影響。請注意，指數響應曲線的內在誤差由具有線性響應曲線的矽振蕩器消除了。

圖 3：由比較器門限變化引起的 RC 電路誤差

可編程性的優點之一是能實現電壓控制的調製 (VCO)、脈衝寬度調製 (PWM)、脈衝持續時間調製和其他類型的動態時間或頻率調製。很多應用都需要這種能力：音調信號發生、加熱器控制、電動機控制、脈衝發生 … 等等。專門論述用 555 型或其他 RC 電路實現這類應用的網頁、書籍、文章和短文數不勝數，這也說明需求是顯而易見的。無論是 555 定時器還是其他電路，用 RC 電路實現定時需要調節比較器門限電壓或 RC 響應曲線。伴隨比較器門限調節而來的是多種誤差，如上所述。最簡單的實現控制的方法需要使用電位器或可變電容器來調節 RC 時間常數。實事求是地說，大多數實現方法都需要大量額外電路 (如閉環反饋網絡)，以補償很多誤差源。

總之，由於一代又一代電子產品不斷提出更高的準確度、功率和尺寸要求，因此 RC 電路的固有限制變得越來越明顯了。RC 電路一般不在高於 1MHz 的頻率上工作，RC 電路不準確、消耗大量功率，而且可能比乍看之下更昂貴，尤其是付出大量努力以增強功能或提高性能時。

傳統上可替代定時電路的方法需要固定頻率晶體振蕩器。增強可編程性或異步功能需要增加電路。無論是用分立式組件還是通過設定微控制器來增強可編程性或異步功能，簡單的定時應用最終都變得複雜和不靈活了。就很多應用而言，這絕對不是吸引的選擇。隨著矽振蕩器的出現，基於 RC 的定時器有了真正的競爭對手。

矽振蕩器是徹底的固態器件，運用通過電流控制的頻率鎖定伺服環路。該頻率控制電流可用單個電阻器設定，而且其可編程架構也允許單穩態工作3。用矽振蕩器作為基本的「定時引擎」取代 RC 電路後，可提供更簡單、更靈活和可編程性更高的定時方法。

因為矽振蕩器不依賴機械諧振組件，而且是用標準 CMOS 技術製造，所以它們具有很高的抗衝擊、抗振動和抗磨損性。這也意味著，矽振蕩器可以集成其他功能，如頻率可編程性、多相輸出、擴展頻譜頻率調製和智能啟動電路。矽振蕩器可在 10kHz 至 170MHz 的頻率範圍內工作，具有內置分壓器，而且這個頻率範圍還可以擴展到極低的頻率4。矽振蕩器的準確度和功耗性能非常出眾。例如，凌力爾特公司的 LTC6906 在 10kHz 至 1MHz 範圍內具有高於 99% 的準確度，同時吸取不到 80uA 的電流

圖 4：矽振蕩器「引擎」

凌力爾特公司最近推出了一個基於矽振蕩器的定時器件新系列，即 TimerBloxTM 系列。這些器件含有智能電路，可提供 5 種基本定時功能：電壓控制振蕩器 (VCO)、面向長持續時間定時的非常低頻率時鐘、脈衝寬度調製振蕩器 (PWM)、單脈衝發生器和延遲構件。作為一個系列，這些器件涵蓋了 29uHz (9.5 小時) 至 2MHz 的工作範圍，具有 98% 或更高的典型頻率或時間準確度。每個 TimerBlox 器件提供 8 種單獨的工作頻率 / 時間範圍，可用一個簡單的電阻分壓器進行選擇。一旦範圍選定，那麼用戶就可以用 25kΩ 至 800kΩ 的單個電阻器設定準確的頻率或時間。這種架構允許 TimerBlox 系列器件涵蓋很寬的工作範圍，同時確保電阻器尺寸對總體準確度或功耗產生的影響可以忽略不計 (通過設定電流產生的雜散電流和功耗可以忽略不計)。TimerBlox 系列器件在 2.25V 至 5.5V 的電源電壓範圍內工作，電源電流範圍為 60uA 至 250uA，而且 TimerBlox 器件提供快速、首周期準確的啟動。20mA 輸出提供和吸收能力允許直接驅動光隔離器和變壓器，以實現電氣隔離。TimerBlox 系列器件採用 SOT23 和纖巧的 DFN 封裝，所有器件都可在 -40°C 至 125°C 的溫度範圍內工作。所有這些特色都是為了確保 TimerBlox 系列器件提供最簡單、靈活和可編程的定時解決方案。採用這些器件，設計師就不會面對利用 RC 電路實現定時器或提供時鐘時所需的無情選擇了。RC 電路的作用現在可以縮回到一種更適中的水平，人們不再期望用 RC 電路應對「真正嚴重的定時問題」了。

圖 5：採用 TimerBlox 器件的典型應用

1 如果考慮 CMOS 版本的 555 定時器僅吸取不到 100uA 的電源電流，那麼 450uA 的電阻器電流就相當大了。
2 值得一提的是，典型的 555 定時器的比較器門限誤差 > ±5%。
3 凌力爾特公司有些矽振蕩器包括內置電流設定控制，從而無需外部設定電阻器。
4 凌力爾特公司的 LTC6991 提供非常低頻率的時鐘，能以 9.5 小時的定時間隔工作。

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