多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，該電路在接通電源后無需外接觸發(fā)信號就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形脈沖波或方波。由于多諧振蕩器在工作過程中不存在穩(wěn)定狀態(tài)，故又稱為無穩(wěn)態(tài)電路。
一、門電路組成的多諧振蕩器
1. 電路組成及工作原理
由門電路組成的多諧振蕩器的特點：
² 產(chǎn)生高、低電平的開關(guān)器件，如門電路、電壓比較器、BJT等
² 具有反饋網(wǎng)絡(luò)，將輸出電壓恰當?shù)姆答伣o開關(guān)器件使之改變輸出狀態(tài)
² 有延遲環(huán)節(jié)，利用RC電路的充、放電特性可實現(xiàn)延時，以獲得所需要的振蕩頻率（在許多實用電路中，反饋網(wǎng)絡(luò)兼有延時的作用）
一種由CMOS門電路組成的多諧振蕩器如圖6.1所示。
圖6.1由CMOS門電路組成的多諧振蕩器
其原理圖和工作波形圖分別如圖6.2a、b所示。
（a）多諧振蕩器原理圖 （b）多諧振蕩器波形圖
圖6.2多諧振蕩器原理圖和波形圖
圖a中D 1 、D 2 、D 3 、D 4 均為保護二極管。
為了討論方便，在電路分析中，假定門電路的電壓傳輸特性曲線為理想化的折線，即：
為開門電平， 
為關(guān)門電平， 
為門坎電平（閾值電平）。
(1)第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉(zhuǎn)的過程
假定在 
時接通電源，電容C尚未充電，電路初始狀態(tài)，即第一暫穩(wěn)態(tài)
= 
， 
= 
= 
此時，電源 
經(jīng)G1 的Tp 管、R和G2 的TN 管給電容C充電，如圖6.2(a)所示。隨著充電時間的增加， 
的值不斷上升，當 
達到 
時，電路發(fā)生下述正反饋過程：
這一正反饋過程瞬間完成，使G１ 導通，G２ 截止，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)
= 
， 
= 
。 
（2）第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉(zhuǎn)的過程
電路進入第二穩(wěn)態(tài)瞬間， 
由0 V上跳至 
，由于電容兩端電壓不能突變，則 
也將上跳 
，本應(yīng)升至V DD +V th ，但由于保護二極管的鉗位作用， 
僅上跳至 
。隨后，電容C通過 
的 
、電阻 
和 
的T N 放電，使 
下降，當v I 降至 
后，電路又產(chǎn)生如下正反饋過程：
從而使 
迅速截止， 
迅速導通，電路又回到第一暫穩(wěn)步態(tài)， 
， 
。此后，電路重復上述過程，周而復始地從一個穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個暫穩(wěn)態(tài)，在 
的輸出端得到方波。
由上述分析不難看出，多諧振蕩器的兩個暫穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換過程是通過電容C充、放電作用來實現(xiàn)，電容的充、放電作用又集中體現(xiàn)在圖中 
的變化上。因此，在分析中要著重注意 
的波形。
2.振蕩周期的計算
 |
狀態(tài)轉(zhuǎn)換：主要取決于電容的充、放電 | |
|
振蕩過程中
|
||
轉(zhuǎn)換時刻：決定于  的數(shù)值 |
根據(jù)以上分析所得電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時 
的幾個特征值，可以計算出圖6. 2(b)中的T1 、T2 值。
（1）T１ 的計算
對應(yīng)于第一暫穩(wěn)態(tài)，將圖6.2(b)中t１ 作為時間起點,
， 
, 
， 
。
根據(jù)RC電路瞬態(tài)響應(yīng)的分析，有
（2） 
的計算
對應(yīng)于圖6.2(b),在第二暫穩(wěn)態(tài)，將 
作為時間起點，
， 
， 
由此可求出 
所以 
將 
代入，上式變?yōu)?nbsp; 
圖6.1是一種最簡型多諧振蕩器,上式僅適于 
» 
[ 
、 
分別為CMOS門中NMOS、PMOS管的導通電阻]、C遠大于電路分布電容的情況。當電源電壓波動時，會使振蕩頻率不穩(wěn)定，在 
時，影響尤為嚴重。一般可在圖6.1中增加一個補償電阻 
，如圖6.3所示。 
可減小電源電壓變化對振蕩頻率的影響。當 
時，取 
» 
（一般取 
）。
圖6.3 加補償電阻的CMOS多諧振蕩器
二、 石英晶體振蕩器
前面介紹的多諧振蕩器的振蕩周期與時間常數(shù)RC和閾值電壓 
有關(guān)，而 
易受溫度、電源電壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差。
為得到頻率穩(wěn)定性很高的脈沖波形，多采用由石英晶體振蕩器。石英晶體的電路符號和阻抗頻率響應(yīng)如圖6.4中。由阻抗頻率響應(yīng)可知，石英晶體的選頻特性非常好，它有一個
圖６.4石英晶體的電路符號及阻抗頻率特性
極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率 
,且等效品質(zhì)因數(shù)Q值很高。只有頻率為 
的信號最容易通過，而其他頻率的信號均會被晶體所衰減。石英晶體振蕩器電路如圖６.5所示。
圖６.5石英晶體振蕩器
圖中， 
，作用：使反相器工作在線性放大區(qū)，
電容C１ 用于兩個反相器間的藕合（選擇C１ 應(yīng)使其在頻率為 時的容抗可以忽略不計）
電容C２ 用于抑制高次諧波，保證穩(wěn)定的頻率輸出（選擇C２ 應(yīng)使2πRC２ ≈1，從而使RC２ 并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在 處產(chǎn)生極點，以減少諧振信號損失。）
圖6.5所示電路的振蕩頻率僅取決于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率 ，而與電路中R、C的數(shù)值無關(guān)。這是因為電路對 頻率所形成正反饋最強而易于維持振蕩。為了改善輸出波形，增強帶負載的能力，通常在振蕩器的輸出端再加一級反相器。作為一個應(yīng)用實例，兩相時鐘產(chǎn)生電路與波形分別如圖6.6(a)(b)所示。
(a)
(b)
圖6.6 雙相時鐘發(fā)生器
(a)邏輯圖 (b)波形圖