这其实是正反馈了
非门结合负反馈的应有有一个典型的叫做 ring amplifier,可以了解一下
在学习运算放大器时,我接触到“负反馈”这一概念。运放属于模拟器件,因此我进一步产生了一个问题:
如果在数字器件中引入类似的负反馈,会出现怎样的行为?
最直接的想法是:将反相器(非门)的输入端与输出端直接短接。按照理想数字逻辑,输出应当是“不确定”的;但实际数字芯片由多级晶体管网络构成,存在传播延时与模拟特性,因此结果可能会震荡或者稳定在 Output = (VCC-GND)/2 。
当然,奇数 2n+1 (n>=1) 个非门头尾串联组成的结构被称为 “环形振荡器”,我们这里也顺便测试一下波形。
基于这个思路,本文依次测试三种结构:
单个反相器输入/输出短接
3 级反相器环形振荡器
5 级反相器环形振荡器
实验器件为 DIP 封装 SN74LS04,供电电压为 5 V。
测试结果显示,节点电压并未稳定在中间电平,而是出现了持续振荡。波形接近正弦,主要参数如下:
频率:约 55.2 MHz
电压范围:约 1.68 V ~ 3.25 V
这表明即使只有一个反相器,闭环后也可能因器件延时与增益特性形成自激振荡。
波形整体接近非理想锯齿/斜坡形态,频率较稳定:
频率:约 17.5 MHz
与单反相器短接相比,振荡频率明显下降,符合环路级数增加后总延时增大、振荡周期拉长的预期。
5 级结构的波形与 3 级结构相似,但幅度更大、频率更低:
频率:约 10.7 MHz
电压摆幅:接近 0 V ~ 5 V
这说明随着反相器级数增加,环路延时继续增加,振荡频率进一步降低;同时波形更接近数字电平摆动。
本实验验证了:数字逻辑器件在闭环条件下并非只表现为理想“0/1”状态,而会呈现明显的模拟动态特性,但并不会完全稳定。即便是单个反相器输入输出短接,也可能形成高频振荡。
当反相器级数从 1 增加到 3、5 时,振荡频率依次降低,整体趋势符合“级数越多、总传播延时越大、振荡频率越低”的环形振荡器基本规律。同时,级数越高的结构的电压摆幅更接近电源轨。