【记录】环形振荡器实验 | 深度负反馈数字芯片

1. 实验背景与问题

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：

1. 单个反相器输入/输出短接
2. 3 级反相器环形振荡器
3. 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。

2. 单个反相器短接测试

2.1 原理图

2.2 面包板搭建

2.3 示波器波形

2.4 现象与结论

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。

3. 3 级反相器环形振荡器测试

3.1 原理图

3.2 面包板搭建

3.3 示波器波形

3.4 现象与结论

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。

4. 5 级反相器环形振荡器测试

4.1 原理图

4.2 面包板搭建

4.3 示波器波形

4.4 现象与结论

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。

5. 对比汇总

结构	频率（约）	电压特征
单反相器短接	55.2 MHz	1.68 V ~ 3.25 V，近似正弦
3 级环形振荡器	17.5 MHz	非理想锯齿/斜坡波形
5 级环形振荡器	10.7 MHz	接近 0 V ~ 5 V 的全摆幅

6. 总结

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。