Oszillatoren mit Inverter oder SCHMITT-Trigger
Mit den CMOS-Bausteinen 4049 (sechs Inverter), 4069 (sechs Inverter), 40106 (sechs SCHMITT-Inverter) oder 4093 (vier SCHMITT-NAND-Glieder mit jeweils zwei Eingängen) usw. können Rechteck- und Sägezahngeneratoren für diverse Zwecke aufgebaut werden. Die Betriebsspannungen liegen in den Bereichen 3-18V (HCC-Typ) und 3-20V (HCF-Typ). Je nach Anwendung kann die Ausgangsleistung sogar ausreichen, um Power-MOSFETs zu betreiben. Bei Frequenzschaltungen -und das gilt übrigens auch bereits bei analogen NF-Schaltungen- und insbesondere bei steilen Flanken sollte immer ein zusätzlicher kleiner Kondensator von etwa 100nF so nahe wie möglich an die beiden Pins zwischen Vdd und Vss angebracht sein. Auf diese Weise können Leitungswiderstände und induktive oder kapazitive Kopplung benachbarter Leitungen unterdrückt werden und ein "Übersprechen" verhindern.

Dem eigentlichen Oszillator in Abb.1 und 2 folgt üblicherweise ein weiteres Korrekturglied (in Abb.3 grau eingezeichnet). Dadurch werden "unsaubere" Flanken und Kanten nachgebessert. Mit einem zusätzlichen Inverter (Abb.4) stehen dann auch Gegentakt-Signale zur Verfügung. Die Ausgangsimpedanz eines logischen Gliedes beträgt etwa 400 Ohm, und somit sollte der Widerstand für die Rückkopplung den Wert von etwa 1k nicht unterschreiten. Ansonsten sind die äußeren Bauteile in sehr weiten Bereichen veränderbar.

Frequenzstabilität:
Eine Alternative zu den obigen Schaltungen besteht darin, den Kondensator statt an Masse, an den Ausgang eines zweiten Inverters zu legen (Abb.5 und 6). Die Frequenz ändert sich dann nur mehr geringfügig mit der Betriebsspannung. Besonders bei TTL-Bausteinen, deren Eingangsimpedanz deutlich niedriger ist und dadurch eine schnellere Entladung des Kondensators bewirkt, verwendet man einen zusätzlichen Eingangswiderstand (Abb.6). Dieser beseitigt ebenfalls Unlinearitäten, die das eingangsseitige Dioden-Netzwerk (input protection network) verursachen kann. Die Zeitverzögerung läßt sich übrigens in ähnlicher Weise mit der Induktivität einer Spule nach Abb.7 herbeigeführen.

Sicheres Schwingverhalten:
Auch wenn die beiden Schaltungen in Abb.5 und 6 sehr häufig anzutreffen sind, so kann es bei dieser Anordnung -insbesondere bei kleinen Kapazitäten- durchaus vorkommen, daß der Oszillator überhaupt nicht "anspringt". Berücksichtigt man jedoch die Tatsache, daß eine ungerade Anzahl Inverter in Schleifenkombination (letzter wird mit erstem verbunden) wegen der kleinen internen Zeitverzögerung jedes einzelnen Gliedes selbstschwingend wird, dann erklärt sich auch das sichere Anschwingen der Kombination mit drei Inverter nach Abb.6a (siehe hierzu: Hochspannungsgeneratoren ).

Schaltungsvarianten:
Beim 4093 (NAND mit 2 Eingängen) beispielsweise kann man einen der beiden Eingänge nutzen, um den Oszillator zu starten (Abb.8). In Abb.9 dagegen schwingt der Oszillator ständig, und der zweite Eingang eines nachfolgenden NAND-Gliedes "öffnet" oder "sperrt" das Signal am Ausgang. Bei Quarzoszillatoren wird die zweite Variante bevorzugt, da Quarze etwas "eigenwillig" sind und in einigen Fällen während der Einschwingphase nach Belieben auf einer ihrer harmonischen Frequenzen starten können oder überhaupt nicht anschwingen wollen. Siehe hierzu: Digitale Quarzoszillatoren.

Brauchbare Dreieck/Sägezahn-Impulse an den Eingängen entstehen nur bei Schaltungen, bei denen der Kondensator nach Masse gelegt ist (Abb.5, 6 und 7 sind also ungeeignet). Mit einem Potentiometer in der Rückführung (Abb.10) läßt sich die Frequenz in einem weiten Bereich einstellen. Da der Kondensator bei jedem Umschalten des Ausgangs über diesen Widerstand geladen bzw. entladen wird, können die Lade- und Entladezeiten über Dioden mit zwei verschiedenen Widerständen (Abb.11: hier Trimmer) separat eingestellt werden. Das Verhältnis (duty-cycle) der positiven Pulsdauer zur negativen wird dann asymmetrisch. Statt der am Eingang üblichen Dreieckspannung bei symmetrischem Tastverhältnis unterscheidet sich nun die Neigung der steigenden zur fallenden Flanke und das Ergebnis ist eine Sägezahnspannung.

Da die Hysterese (Differenz der beiden Schwellspannungen) bei SCHMITT-Trigger nur etwa 1V bis 3,5V beträgt, wird auch nur ein kleiner Bereich der Kondensator-Ladungskurve genutzt: die Sägezahnflanken sind einigermaßen linear. Auch die Amplitude behält unabhängig von der Frequenz diesen konstanten Hysterese-Pegel bei. Da der Abgriff jedoch direkt am Eingang des Bausteins erfolgt, sind die Signale sehr leistungsschwach und erfordern dementsprechend einen nachfolgenden Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz. Dafür eignet sich eine nicht-invertierende Verstärkerschaltung (Abb.13). Die hier dargestellte Schaltung verwendet außerdem eine variable Vorspannung, die eine Verlagerung des Offset ermöglicht. Das entspricht beispielsweise der horizontalen Verschiebung der X-Ablenkung bei Oszillographen.

Verwendet man anstelle des logischen Bausteins einen Operationsverstärker als Multivibrator (Abb. 14), dann kann die Hysterese mit dem Verhältnis R1 zu R2 optimiert werden. Je größer R1 gegenüber R2, desto kleiner ist der Ausschnitt der Ladungskurve des Kondensators und desto linearer sind die Flanken der Sägezahnspannung (siehe aber hierzu: Dreieck/Sägezahngeneratoren mit Operationsverstärker).

Einen einfachen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO: Voltage Controlled Oscillator) zeigt Abb.15. Auch hier trennt man Lade- und Entladezeit des Kondensators mit zwei Dioden: die Ladung erfolgt über D2 von der Steuerspannungsquelle und die Entladung über D1 vom NAND-Ausgang. In diesem Beispiel wird die Entladezeit vorwiegend von R1 vorgegeben und bleibt (bei kleinem R1) einigermaßen konstant. Aus diesen Impulsen mit unterschiedlichem Tastverhältnis läßt sich eine symmetrische Rechteckfrequenz gewinnen (allerdings mit der halben Frequenz), indem man einen Frequenzteiler nachschaltet. Auch wenn diese Schaltung keine außergewöhnlichen VCO-Eigenschaften aufweist, so erzielt man jedoch mit hohen Steuerspannungen (> 20V) eine größere Linearität der steigenden Flanken bei den am NAND-Eingang entstehenden Sägezahnimpulsen.

Der 4046 enthält eine PLL-Schaltung (Phase-Locked Loop). Der VCO dieses Bausteins kann nach Abb.16 unabhängig von den restlichen Funktionen des Chips verwendet werden. Die ungenutzten offenen Eingänge (Pins 3 und 14) des Komparators sollten jedoch nach Masse gelegt werden (in grau eingezeichnet), damit keine Störimpulse entstehen können. Die Steuerspannung Uin an Pin 9 darf dabei nahezu den ganzen Betriebsspannungsbereich (Vdd bis Vss) überstreichen.

Statt den Kondensator vom Ausgang des Inverters zu laden, ist es auch möglich, ihn nach Abb.17 über einen hochohmigen Widerstand von einer fremden Spannungsquelle zu laden. Nur die Entladung erfolgt über den Diodenzweig zum Ausgang hin. Der Rückkoppelwiderstand muß allerdings viel kleiner als der Ladewiderstand sein. Bei genügend hohem Vorwiderstand darf die Spannungsquelle wesentlich höher ausgelegt sein, da die Kondensatorladung nicht über die Schwellspannung des Inverters gelangt, solange der Oszillator schwingt. Setzen die Schwingungen jedoch einmal aus, dann lädt sich der Kondensator vollständig bis zum Pegel der Spannungsquelle auf und zerstört dabei den Invertereingang. Vorsorglich sollte man daher eine Zenerdiode zuschalten, um diese Fehlspannung zu begrenzen. In ähnlicher Weise wird in Abb.18 die Entladung nicht vom Ausgang, sondern über einen Widerstand an Masse übernommen. Lädt man den Kondensator (etwa nach Abb.19) über eine Konstantstromquelle, dann erhält man lineare Sägezahnflanken. Ergänzend sei erwähnt, daß die ausgangsseitigen Rechteckimpulse dem Wehneltzylinder eines Oszilloskopen als Austastsignale (blanking) zugeführt werden können, um den Zeilenrücklauf auszublenden.