取替RC采用硅振荡器定时更胜一筹

人们也许会说，17 世纪是个野蛮残暴的时代，就医疗技术而言，确实如此。因为理发师就是外科医师，多严重的问题也是他们来解决。他们的解决办法常常是外科手术，而且不用消毒剂和麻醉剂。理发师是专家，负责去掉妨碍人们健康的任何东西：头发、牙齿、附属器官、活命的体液，等等。对我们来说，幸运的是，理发师的从业范围已经缩小到了比较适中的水平，现在由专门的医疗专家来解决"真正严重的问题"。理发师充当外科医师的悠久历史很好地说明了技术进步的过程。诚然，在电子产品领域，生命周期有时非常短暂，我们没有时间迷恋任何特定的技术。但是，对于古老的 RC 电路，情况却不是这样，数10年来，RC电路一直是一种广受欢迎的定时组件。你只需观察一下555定时器使用的广泛程度就够了，依靠RC电路的555定时器发明至今已经近 40年了。即使最近几年，新的555定时器版本仍然不断在市场上出现。而且，不仅仅是555定时器，还有无数集成式器件依靠RC电路实现定时，因为RC电路一直是最简单、最灵活和可编程度最高的选择。但是，无论 RC电路是如何实现的，使用RC电路总是伴随着诸多限制。现在，随着一类新的和基于硅振荡器技术的定时器件的出现，上述情形就发生了改变。
也许最简单、最常见的电子电路是电阻器和电容器串联后连接到地所形成的电路。如图1所示，当电压加在电阻器上时，电容器上的电压响应会呈现指数规律：VC = VR (1 – e-t/?)，当电阻器接地时，电容器上的电压响应会呈现类似但反向的指数规律：VC  = VINITIAL (e-t/?)。这种简单和可预测的时间响应使这种电路成为滤除噪声、降低快速信号边沿速度、保护设备输入、避免竞态情况以及解决其他无数定时问题的理想解决方案。即使没有给电路添加电阻器或电容器，由于走线或连线中的电阻，这种电路实际上也常常存在。
 
图 1：
CHARGE：充电
DISCHARGE：放电
PERCENT OF CAPACITOR CHARGE：电容器充电百分数
TIME：时间
增加若干组件以后，具有可预测的充电和放电特性的 RC 电路就可用作电子定时组件了。RC 电路的一个良好特性是，可用来设定具有单稳态和非稳态响应的时序，如图 2 所示。在单稳态工作模式时，触发器打开开关，电容器充电，当电容器达到 2V 时，比较器使输出复位。要实现启动、停止排序或延迟一个事件等异步时序时，单稳态工作是必需的。在非稳态工作模式，反馈信号不断改变电容器的充电和放电方向，保持电容器电压在一个固定范围内 (本例为 1V 到 2V 之间)。结果，只要保持对电路的供电，就能产生连续的脉冲串，或者形成振荡器。
 
图 2：简化的 555 电路说明了如何利用 RC 电路

JUMPER CONFIGURES EITHER ASTABLE OPERATION (JP2) OR MONOSTABLE OPERATION (JP2)：跨接线配置非稳态工作模式 (JP1) 或单稳态工作模式 (JP2)
TRIGGER IN：触发器输入
OUTPUT：输出
MONOSTABLE OPERATION：单稳态工作模式
TRIGGER IN (OPENS SW)：触发器输入 (打开开关)
OUTPUT：输出
ASTABLE OPERATION：非稳态工作模式

频率和时间的可编程性是RC电路的关键特性，而且取决于工程师是否能找到合适的电阻器和电容器组合。不同尺寸和类型的电容器很多，但是需要在准确度、尺寸和成本之间进行权衡。使用 NP0/COG 型电容器可得到最佳容限为 1-2%。但是因为NP0 / COG电容器的容量超过1uF以后，价格非常昂贵，所以设计师有可能折中使用容限为 5% 或更差的电容器，5% 容限是其他类型电容器的典型值。就非常小的电容值而言，设计师应该知道，杂散电容或栅电容会引起误差。例如，在图2中，比较器输入端仅存在几pF的电容，就会引起1% 的误差。除了这些问题，可能还存在其他电容器误差源，如 ESR、温度系数和泄漏电流。面对所有这些电容器问题，在半导体芯片中集成RC电容器似乎是个不错的想法。但是，因为基于半导体的准确电容器需要占用很大的芯片面积 (即使采用非常小的电容值)，并需要进行大量微调，所以这是一种昂贵的解决方案。由于RC值选择范围和较高成本的限制，在采用RC电路时，这不是一种常见的选择，因此外部电容器令人头痛的诸多问题也许永远不会消失。

面对电容器受到的实际限制，电阻器的选择变得更加关键了，不过电阻器也受到一些限制。如果RC电路的电阻非常小，就会产生功耗后果，因为大量功率浪费在电阻器上了。例如，图2中的RC电路吸取超过1mA 的峰值电流，而且在非稳态工作 (振荡器) 模式时，两个外部电阻器本身就吸取了 450uA 的平均电流1。另一方面，表面泄漏和输入偏置电流会限制最大电阻值。在有几nA 的杂散或偏置电流时，超过10MΩ 的电阻器就会因为这些电流产生可观的误差。

假定可获得合适的电阻器和电容器，但是由于充电和放电响应曲线的非线性，RC电路中仍然还有另一个重要的误差源。在定时响应中，任何比较器门限误差都被放大超过2.5倍。例如，±2% 的比较器门限误差产生大约 ±5.4% 的定时误差2。就非稳态工作模式而言，这个问题不仅以频率误差的形式显现，而且还导致占空比误差。图 3 说明了这种误差源的影响。请注意，指数响应曲线的内在误差由具有线性响应曲线的硅振荡器消除了。
 
图 3：由比较器门限变化引起的RC电路误差
IDEAL LINEAR RESPONSE：理想的线性响应
TOTAL THRESHOLD VARIATION：总的门限变化
VOLTAGE：电压
EXPONENTIAL RESPONSE：指数响应
 (RC CIRCUIT)： (RC 电路)
TIME ERROR FOR LINEAR RESPONSE CURVE：线性响应曲线的时间误差
TIME ERROR FOR EXPONENTIAL RESPONSE CURVE：指数响应曲线的时间误差
TIME：时间
IDEAL：理想情况
(NO COMPARATOR ERROR)：无比较器误差

可编程性的优点之一是能实现电压控制的调制 (VCO)、脉冲宽度调制 (PWM)、脉冲持续时间调制和其他类型的动态时间或频率调制。很多应用都需要这种能力：音调信号发生、加热器控制、电动机控制、脉冲发生 … 等等。专门论述用 555 型或其他 RC 电路实现这类应用的网页、书籍、文章和短文数不胜数，这也说明需求是显而易见的。无论是 555 定时器还是其他电路，用 RC 电路实现定时需要调节比较器门限电压或 RC 响应曲线。伴随比较器门限调节而来的是多种误差，如上所述。最简单的实现控制的方法需要使用电位器或可变电容器来调节 RC 时间常数。实事求是地说，大多数实现方法都需要大量额外电路 (如闭环反馈网络)，以补偿很多误差源。
总之，由于一代又一代电子产品不断提出更高的准确度、功率和尺寸要求，因此RC电路的固有限制变得越来越明显了。RC电路一般不在高于1MHz 的频率上工作，RC电路不准确、消耗大量功率，而且可能比乍看之下更昂贵，尤其是付出大量努力以增强功能或提高性能时。
传统上可替代定时电路的方法需要固定频率晶体振荡器。增强可编程性或异步功能需要增加电路。无论是用分立式组件还是通过设定微控制器来增强可编程性或异步功能，简单的定时应用最终都变得复杂和不灵活了。就很多应用而言，这绝对不是吸引的选择。随着硅振荡器的出现，基于RC的定时器有了真正的竞争对手。
硅振荡器是彻底的固态器件，运用通过电流控制的频率锁定伺服环路。该频率控制电流可用单个电阻器设定，而且其可编程架构也允许单稳态工作3。用硅振荡器作为基本的"定时引擎"取代RC电路后，可提供更简单、更灵活和可编程性更高的定时方法。
因为硅振荡器不依赖机械谐振组件，而且是用标准CMOS技术制造，所以它们具有很高的抗冲击、抗振动和抗磨损性。这也意味着，硅振荡器可以集成其他功能，如频率可编程性、多相输出、扩展频谱频率调制和智能启动电路。硅振荡器可在10kHz 至170MHz 的频率范围内工作，具有内置分压器，而且这个频率范围还可以扩展到极低的频率4。硅振荡器的准确度和功耗性能非常出众。例如，凌力尔特公司的LTC6906在10kHz 至1MHz 范围内具有高于99% 的准确度，同时吸取不到80uA 的电流
 
图 4：硅振荡器"引擎"
SILICON OSCILATOR：硅振荡器

凌力尔特公司最近推出了一个基于硅振荡器的定时器件新系列，即 TimerBloxTM 系列。这些器件含有智能电路，可提供 5 种基本定时功能：电压控制振荡器 (VCO)、面向长持续时间定时的非常低频率时钟、脉冲宽度调制振荡器 (PWM)、单脉冲发生器和延迟构件。作为一个系列，这些器件涵盖了 29uHz (9.5 小时) 至 2MHz 的工作范围，具有 98% 或更高的典型频率或时间准确度。每个 TimerBlox 器件提供 8 种单独的工作频率 / 时间范围，可用一个简单的电阻分压器进行选择。一旦范围选定，那么用户就可以用 25kΩ 至 800kΩ 的单个电阻器设定准确的频率或时间。这种架构允许 TimerBlox 系列器件涵盖很宽的工作范围，同时确保电阻器尺寸对总体准确度或功耗产生的影响可以忽略不计 (通过设定电流产生的杂散电流和功耗可以忽略不计)。TimerBlox 系列器件在 2.25V 至 5.5V 的电源电压范围内工作，电源电流范围为 60uA 至 250uA，而且 TimerBlox 器件提供快速、首周期准确的启动。20mA 输出提供和吸收能力允许直接驱动光隔离器和变压器，以实现电气隔离。TimerBlox 系列器件采用 SOT23 和纤巧的 DFN 封装，所有器件都可在 -40°C 至 125°C 的温度范围内工作。所有这些特色都是为了确保 TimerBlox 系列器件提供最简单、灵活和可编程的定时解决方案。采用这些器件，设计师就不会面对利用 RC 电路实现定时器或提供时钟时所需的无情选择了。RC 电路的作用现在可以缩回到一种更适中的水平，人们不再期望用 RC 电路应对"真正严重的定时问题"了。   

图 5：采用 TimerBlox 器件的典型应用
ANALOG PWM DUTY CYCLE CONTROL (0V TO 1V)：模拟 PWM 占空比控制 (0V 至 1V)

1   如果考虑 CMOS 版本的 555 定时器仅吸取不到 100uA 的电源电流，那么 450uA 的电阻器电流就相当大了。
2   值得一提的是，典型的 555 定时器的比较器门限误差 > ±5%。
3   凌力尔特公司有些硅振荡器包括内置电流设定控制，从而无需外部设定电阻器。
4   凌力尔特公司的 LTC6991 提供非常低频率的时钟，能以 9.5 小时的定时间隔工作。