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°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° 的附加相移，因此整个环路对振荡呈现出略小于360 °或0°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°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°的整体提供 -86°的相移。三级放大的总相位余量为 180+94+94=8°。现在电路的相移总计偏离振荡所需的“理想” 0° 相位 8°。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°相移时，电路不振荡。