10.1.1 CMOS門電路組成的多諧振蕩器結構和原理

一種由CMOS門電路組成的多諧振蕩器如圖10.1.1所示。其原理圖和工作波形分別如圖10.1.2(a)、(b)所示。圖(a)中D1、D2、D3、D4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，即開門電平(VON) 和關門電平(VOFF)相等，這個理想化的開門電平或關門電平稱為門坎電平(或閾值電平)，記為Vth且設Vth=VDD/2。

(1)第一暫穩態及電路自動翻轉的過程
假定在t=0時接通電源，電容C尚未充電，電路初始狀態為vO1=VOH，
v1=vO2=VOL 狀態，即第一暫穩態。此時，電源VDD經G1的TP管、R和G2的TN管給電容C充電，如圖10.1.2(a)所示。隨著充電時間的增加，v1的值不斷上升，當v1達到Vth時，電路發生下述正反饋過程:

這一正反饋過程瞬間完成，使vO1=VOL vO2=VOH，電路進入第二暫穩態。

(2)第二暫穩態及電路自動翻轉的過程
電路進入第二暫穩態瞬間，v02由0V上跳至VDD，由于電容兩端電壓不斷突變，則v1也將上跳VDD，本應升至VDD+Vth ，但由于保護二極管的鉗位作用，v1僅上跳至VDD+△V+。隨后，電容C通過G2的TP、電阻R 和G1的TN放電，使v1下降，當v1降至Vth后，電路又產生如下正反饋過程：

從而使電路又回到第一暫穩態，vO1=VOH，vO2=VOL。此后，電路重復上述過程，周而復始的從一個暫穩態翻轉到另一個暫穩態，在G2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態的轉換過程是通過電容C充、放電作用來實現的。　

10.1.2 振蕩周期的計算
在振蕩過程中，電路狀態的轉換主要取決于電容的充、放電，而轉換時刻則取決于v1的數值。根據以上分析所得電路在狀態轉換時v1的幾個特征值，可以計算出圖10.1.2(b)中的 T1、T2的值。
(1)T1的計算
對應于第一暫穩態，將圖10.1.2(b)中T1、T2作為時間起點，T1=t2-t1，v1(0+)=-△V-≈0V,v1(∞)=VDD,τ=RC。根據RC電路瞬態響應的分析，有(2)T2的計算
對應于圖10.1.2(b)，在第二暫穩態，將t2作為時間起點，則有v1(0+)=VDD+△V+≈VDD，v1(∞)=0，τ=RC，由此可求出T2=RC所以將Vth=VDD/2代入，上式變為T=RCln4≈1.4RC 。　

圖10.1.1是一種最簡型多諧振蕩器，上式僅適用于R>>RON(P)+RON(N)（其中，RON(P)、RON(N)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，會使振蕩頻率不穩定，在Vth≠VDD/2時，影響尤為嚴重。一般可在該圖中增加一個補償電阻 ,如圖10.1.3所示。Rs可減小電源電壓變化對振蕩頻率影響。當Vth=VDD/2時，取RS>>R(一般取RS=10R )。