产生低失真正弦波的CMOS六角反相器

本设计实例提供了一种可作为微控制器替代品的简单、廉价及便携式设备电路，来为音频电路设计与调试提供各种低失真正弦波信号源。尽管从直接数字合成器 (DDS) 产生的正弦波具有更高的稳定性及更少的谐波成分和其他寄生频率成分，但这是一种能让设计人员采用凌特科技公司LTSpice 免费件并磨砺其电路仿真技能的更具“颠覆性”的方法。振荡器包括一个频率测定网络以及一种用于防止电路饱和、波形削波及谐波产生的振荡幅度限制方法。许多音频振荡器设计均采用经典维氏电桥带通滤波器拓扑，并将白炽灯、热敏电阻器或JFET 电路作为幅度敏感电阻器来自动改变反馈及限幅。 　　但幅度敏感电阻器会引入可导致振荡器稳定时产生幅度振铃的较小延迟。此外，该限幅器的“软”特性还要求使用可紧密跟踪以及将电平幅度响应保持在振荡范围以内的频率测定元件。二极管限幅器具有比放大器进入“硬”限幅状态更软的特性，并且它还会引入无包络延迟。维式电桥滤波器的频率响应比较缓慢，因此不足以抑制由限幅（或削波）引起的谐波频率。结果，大多数高质量振荡器的设计者均避免使用硬削波限幅器。 　　图1显示一种非常规使用逻辑电路的正弦波振荡器设计。由于其采用可在单一电路内提供经过缓冲的高通、带通及低通滤波节点的状态可变拓扑结构，故该振荡器依靠可显著提高基频响应速度的欠阻尼、双极低通滤波器的峰值特性。此外，滤波器的低通节点可提供12dB/倍频程的谐波衰减。状态可变环路由2个积分器及一个可提供180%26;#176;相移的加法放大器组成。其中2个积分器的每一个都能增加几乎 -90%26;#176; 的附加相移，因此整个环路对振荡呈现出略小于360 %26;#176;或0%26;#176;的相移与单位增益。 　　环路增益模块由强调电路简化、宽带宽与自参考逻辑阀值的无缓冲74HCU04 CMOS 反相器组成。每个独立的反相器可提供每级大约为 15dB 的较低电压增益。当以A类线性模式工作时，反相器产生无交叉失真，从而产生可迅速随谐波阶增加而减小的谐波波幅。此外，74HCU04包装含有6个反相器，这就有可能形成一个单器件振荡器电路。 　　为了解电路是如何工作的，我们将 IC1C 输入的求和节点用作相位参考。加法放大器 IC1C可提供第一个 180%26;#176;相移（反相）。反相器/积分器 IC1A与 IC1B每一个都具有增益等于大约15的品质因素 Q，并为每个 180-86=94%26;#176;的整体提供 -86%26;#176;的相移。三级放大的总相位余量为 180+94+94=8%26;#176;。现在电路的相移总计偏离振荡所需的“理想” 0%26;#176; 相位 8%26;#176;。大约为 7.5的总电路 Q 可提供大约 17 dB的升压基频滤波作用。但在8%26;#176;相移时，电路不振荡。 　　为获得振荡所需的精确360%26;#176;相移，我们使用取自滤波器带通抽头并工作于180+180-86 = -86%26;#176;相角上的少量信号。加上7.5的电路Q，将带通滤波器上的带通中间输出信号衰减4倍，电路便以足够的增益及相位余量而产生振荡。由于其对称内部配置，CMOS反相器电路试图保持其电源电压一半的逻辑阀值。但N沟道MOS晶体管比P沟道MOS晶体管具有更强的导电能力，故逻辑阀值略微偏向负电源。如果您照现在这样用它来限制振荡幅度，则不平衡可能会导致非对称，可将一对背靠背 1N4148 二极管D1和D2用作对称限幅器，以避免栅极将带通滤波器的输出削波。 　　软削波通过在削波器的输出上产生 -17 dB 的三次谐波电平，可放宽对滤波器的性能要求。滤波器响应在振荡频率的 17 dB处达到峰值，且低通节点可为-54 dB 的理论三次谐波的总体抑制提供20 dB的三次谐波衰减。实际上，CMOS 器件的增益与阀值特性与理想指标并不一致，因此，电路在低通节点处产生大约有1% 失真的正弦波，这对于预期应用来说为一个可接受水平。用运放来代替 CMOS 反相器可进一步提高性能。 　　滤波器的高通节点为第一积分器提供输入信号，且2个级联积分器对所有频率成分而言其相移均接近180%26;#176;并将谐波频率衰减1/N2倍。其中N代表谐波次数。从低通滤波器信号减去一些由二极管限幅器产生的谐波所组成的高通信号，可进一步减少输出的谐波成分。电阻器R8与R9构成一个10比1消除电路，可为信号输出端的 0.5% 失真数字提供额外的6dB 谐波缩减。图2显示500Hz输出基频的谐波水平。 　　振荡发生在积分器容性电抗等于积分器阻抗的单位增益处，其频率等于1/(2%26;#215;π%26;#215;R%26;#215;C)，其中R=(RV1+R2)=(RV2+R3) ，且C=C1=C2。对于 C=10 nF及8～80 kΩ的R值，电路产生200Hz至2 kHz 的频率。您可以用一个100kΩ的双联立体声音频电位器来进行频率控制。该控制的联动部分可确保积分器的阻抗足以相互跟踪。为覆盖2Hz至200 kHz的音频频率范围，需增加一个双联波段开关（图中未绘出）来选择其值分别为1mF、100 nF、10nF、1nF及100pF的电容器对。您可以使用温度稳定的匹配陶瓷电容器对，但薄膜介质电容器可提高频率稳定度。补偿电容器C3可改善更高频率的输出平坦度。在一个典型频段内，输出幅度的平坦度保持在1dB以内。 　　通过分开由AA大小的镍镉或镍氢电池等4节活动电池组所形成的5V电源，可将IC1三个剩余反相器中的IC1F用作虚拟－接地发生器。它们平均从电池中拽取50-60mA的电流。开关S1连接剩余反相器 IC1D和IC1E，以构成一个用于正弦输出的单位增益缓冲放大器，或作为一个施密特触发器来产生方波输出。电阻器R11用于设定施密特触发器的滞后电平。为便于构造，可使用一个穿孔原型板及 74HCU04的DIP方案。 　　当您构建电路时，请注意 74HCU04 可在高频下提供可观的增益，且过长的引线会引起寄生振荡，通过降低甚高频（VHF）范围内该频率上的增益，电阻器R1 可帮助抑制这种振荡。若您减小电路值，则该振荡器很容易在高频范围内工作，而且尽管它不如 LC 振荡器稳定，但该电路容易在较宽的频率范围内进行调整。