CD4098B：高性能CMOS双单稳态多谐振荡器的技术解析与应用指南

一、引言

在电子工程领域，单稳态多谐振荡器是一种常用的电路元件，用于产生精确的脉冲信号，广泛应用于脉冲延迟、定时、整形和无稳态振荡等电路设计中。TI公司的CD4098B作为一款高性能的CMOS双单稳态多谐振荡器，具有诸多优异特性，能够满足各类固定电压定时应用的需求。

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二、CD4098B概述

2.1 基本功能

CD4098B是一款CMOS双单稳态多谐振荡器，能够为任何固定电压的定时应用提供稳定的可重触发/可复位单稳态操作。它内部集成了两个独立的单稳态电路，这意味着在一个芯片上可以实现两个不同的定时功能，大大提高了电路设计的集成度和灵活性。

2.2 定时控制

该芯片的定时功能由外部电阻（$R_x$）和外部电容（$C_x$）共同控制。通过调整$R_x$和$C_x$的值，可以在Q和Q'端子获得广泛范围的输出脉冲宽度。这种灵活的定时调整方式使得CD4098B能够适应各种不同的应用需求，比如在脉冲延迟电路中，通过合理选择$R_x$和$C_x$，可以精确控制脉冲延迟的时间。

2.3 触发与复位

CD4098B提供了前沿触发（+TR）和后沿触发（-TR）输入，方便用户根据具体的应用场景选择合适的触发方式。同时，还设有低电平有效的复位（RESET）输入，用于立即终止输出脉冲或在电源开启时防止输出脉冲。在实际应用中，如果某个单稳态电路暂时不需要使用，可以将其RESET输入连接到Vss。

三、关键参数与特性

3.1 最大额定值

• 直流电源电压范围（$V_{DD}$）：该芯片的直流电源电压范围为 -0.5V 到 +20V，这表明它能够适应较宽的电源电压变化，在不同的电源环境下都能稳定工作。
• 外部电阻和电容：外部电阻$R_x$的最小值为 5kΩ，外部电容$C_x$的最大值为 100μF。这些参数的限制是为了保证芯片的正常工作和性能稳定。例如，如果$R_x$的值过小，可能会导致芯片的功耗过大；而$C_x$的值过大，则可能会影响定时的精度。
• 功耗与温度范围：在不同的温度条件下，芯片的功耗有相应的限制。例如，在$T_A$从 -55°C 到 +125°C 的全封装温度范围内，每个输出晶体管的功耗最大为 1.0W；在$T_A$从 -5°C 到 +100°C 时，每个封装的功耗最大为 500mW。此外，芯片的工作温度范围为 -55°C 到 +125°C，存储温度范围为 -55°C 到 +150°C，这使得它能够在较为恶劣的环境条件下正常工作。

3.2 推荐工作条件

为了确保芯片的最大可靠性，建议在以下范围内选择标称工作条件：

• 电源电压范围：在全封装温度范围内，电源电压范围为 3V 到 18V。在这个范围内，芯片能够稳定地工作，并且输出脉冲宽度的变化较小。
• 触发和复位脉冲宽度：触发脉冲宽度$t{w(TR)}$和复位脉冲宽度$t{w(R)}$有一定的要求。例如，当$V{DD}$分别为 5V、10V 和 15V 时，触发脉冲宽度$t{w(TR)}$的典型值分别为 140ns、60ns 和 40ns。复位脉冲宽度$t_{w(R)}$则是$C_x$的函数，具体数值可以参考动态特性图表和图 10。
• 触发上升或下降时间：触发上升或下降时间$t_r(TR)$、$t_f(TR)$在 5V 到 15V 的电源电压范围内，最大值为 100ns。这要求输入的触发信号具有较快的上升和下降沿，以确保芯片能够准确地响应触发信号。

3.3 电气特性

3.3.1 静态电气特性

• 静态电流：芯片的静态电流$I{DD}$在不同的电源电压下有不同的最大值。例如，当$V{DD}$为 5V 时，$I{DD}$的最大值为 1μA；当$V{DD}$为 20V 时，$I_{DD}$的最大值为 20μA。较低的静态电流意味着芯片在不工作时的功耗较低，有利于降低整个系统的功耗。
• 输出电流和电压：输出低电平（灌电流）$I{OL}$和输出高电平（拉电流）$I{OH}$在不同的电源电压和负载条件下有相应的最小值。例如，当$V{DD}$为 15V 时，$I{OH}$的最小值为 4.2mA。输出低电平电压$V{OL}$的最大值和输出高电平电压$V{OH}$的最小值在不同的电源电压下也有明确的规定，以保证输出信号的质量。
• 输入电压和电流：输入低电压$V{IL}$的最大值和输入高电压$V{IH}$的最小值在不同的电源电压下有相应的数值。例如，当$V{DD}$为 5V 时，$V{IL}$的最大值为 1.5V，$V{IH}$的最小值为 3.5V。输入电流$I{IN}$在 18V 的电源电压下，最大值为 ±1μA，这表明芯片的输入阻抗较高，对输入信号的影响较小。

3.3.2 动态电气特性

在$T_A = 25°C$、输入$t_r$、$t_f = 20ns$、$C_L = 50pF$、$R_L = 200kΩ$的测试条件下，芯片的动态特性如下：

• 触发传播延迟时间：从触发输入（+TR、-TR）到输出（Q、Q'）的传播延迟时间$t{PHL}$、$t{PLH}$在不同的$R_x$、$Cx$和$V{DD}$条件下有典型值和最大值。例如，当$R_x$为 5kΩ 到 10kΩ、$Cx$≥15pF、$V{DD}$为 5V 时，$t_{PHL}$的典型值为 250ns，最大值为 500ns。
• 最小触发脉冲宽度：最小触发脉冲宽度$t{WH}$、$t{WL}$在不同的$R_x$、$Cx$和$V{DD}$条件下也有相应的要求。例如，当$R_x$为 5kΩ 到 10kΩ、$Cx$≥15pF、$V{DD}$为 5V 时，$t_{WH}$的典型值为 70ns，最大值为 140ns。
• 过渡时间：输出信号的过渡时间$t{TLH}$、$t{THL}$在不同的$R_x$、$Cx$和$V{DD}$条件下有相应的数值。例如，当$R_x$为 5kΩ 到 10kΩ、$Cx$≥15pF、$V{DD}$为 5V 时，$t_{TLH}$的典型值为 100ns，最大值为 200ns。

四、应用电路分析

4.1 脉冲延迟

脉冲延迟是CD4098B的一个常见应用。在脉冲延迟电路中，输入的脉冲信号经过一定的延迟后再输出。通过调整外部电阻$R_x$和电容$C_x$的值，可以精确控制延迟的时间。例如，在图 15 所示的脉冲延迟电路中，根据$R_x$和$C_x$的不同取值，可以实现不同的脉冲延迟时间。这种应用在需要对脉冲信号进行时间调整的场合非常有用，比如在通信系统中，对信号的传输时间进行精确控制。

4.2 无稳态多谐振荡器

CD4098B还可以构成无稳态多谐振荡器，产生连续的脉冲信号。图 16 展示了一个具有复位后重启能力的无稳态多谐振荡器电路。在这个电路中，通过合理选择$R_x$、$Cx$和电源电压$V{DD}$，可以调整输出脉冲的频率和占空比。这种应用在需要产生周期性脉冲信号的场合非常常见，比如在时钟电路、信号发生器等电路中。

4.3 脉冲整形

脉冲整形是指将不规则的输入脉冲信号转换为规则的输出脉冲信号。CD4098B可以利用其单稳态特性，对输入的脉冲信号进行整形。当输入的脉冲信号触发芯片时，芯片会输出一个固定宽度的脉冲信号，从而实现脉冲整形的功能。这种应用在需要对脉冲信号进行标准化处理的场合非常有用，比如在数字电路中，对输入的脉冲信号进行整形，以确保后续电路能够正确地处理这些信号。

五、封装与机械数据

5.1 封装类型

CD4098B提供了多种封装类型，包括 16 引脚的密封双列直插陶瓷封装（F3A 后缀）、16 引脚的双列直插塑料封装（E 后缀）、16 引脚的小外形封装（M、M96 和 MT 后缀）以及 16 引脚的薄型收缩小外形封装（PW 和 PWR 后缀）。不同的封装类型适用于不同的应用场景和安装要求。例如，陶瓷封装具有较好的密封性和稳定性，适用于对环境要求较高的场合；而塑料封装则具有成本低、易于安装等优点，适用于大规模生产的场合。

5.2 机械数据

文档中还提供了各种封装类型的详细机械数据，包括尺寸、引脚间距等信息。这些数据对于电路板的设计和布局非常重要，工程师可以根据这些数据来确定芯片在电路板上的安装位置和布线方式。例如，在设计电路板时，需要根据芯片的引脚间距来确定焊盘的尺寸和间距，以确保芯片能够正确地焊接到电路板上。

六、总结与建议

6.1 总结

CD4098B作为一款高性能的CMOS双单稳态多谐振荡器，具有可重触发/可复位、宽电源电压范围、灵活的定时控制等优点，适用于多种定时和脉冲处理应用。其丰富的电气特性和多种封装类型，为工程师在不同的应用场景下提供了更多的选择。

6.2 建议

• 参数选择：在设计电路时，要根据具体的应用需求合理选择外部电阻$R_x$和电容$C_x$的值，同时要注意电源电压的范围和稳定性，以确保芯片的正常工作和性能稳定。
• 触发信号处理：输入的触发信号要满足芯片对脉冲宽度、上升和下降时间的要求，以保证芯片能够准确地响应触发信号。
• 散热考虑：由于芯片在工作时会产生一定的功耗，特别是在高电源电压和大负载电流的情况下，要注意芯片的散热问题，避免芯片因过热而影响性能或损坏。

希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师更好地了解和应用CD4098B芯片，在实际的电路设计中充分发挥其优势，实现更加高效、稳定的电路设计。你在使用CD4098B芯片的过程中遇到过哪些问题？或者你对它的应用有什么独特的见解？欢迎在评论区留言分享。