Автор этой статьи провел экспериментальную работу по исследованию характеристик различных генераторов на микросхемах структуры КМОП. В результате он отобрал несколько наиболее интересных, на его взгляд, вариантов их исполнения, которые мы и представляем вниманию читателей.
В предлагаемой статье кратко описаны несколько схемных решений генератора прямоугольных импульсов, построенного на различных микросхемах серии К561. По своей структуре статья - сравнительно-справочная. К каждой схеме дан перечень параметров и особенностей (см. таблицу), а также графические зависимости потребляемого тока и генерируемой частоты от напряжения питания.
Генератор по схеме на рис. Нижний предел сопротивления резистора R1,кОм Наибольшая частота генерации,МГц Минимальное напряжение питания,В Изменение частоты при нагревании до 85°С, % Скважность выходных импульсов 1,а 1 2 2 -4 2 2,а 1 2 4 - 2 3,а 0,56 2 2,5 -5 >2 4,а 0,56 2 2 +2,5 <2 5,а - 1,3 3 - <2 6,а 1 1 1,4 -11 >2Кроме этого, для каждого генератора указана формула, позволяющая вычислять значение генерируемой частоты в зависимости от номиналов элементов частотозадающей цепи (частота - в герцах, сопротивление в омах, емкость - в фарадах, индуктивность - в генри; более удобно, кстати, для RC-генераторов: частота - в килогерцах, сопротивление в килоомах, емкость - в микрофарадах; для LC-генераторов: частота в мегагерцах, емкость - в нанофарадах, индуктивность - в миллигенри). Расчетные формулы для ряда генераторов получены опытным путем.
Все представляемые в статье характеристики рассматриваемых генераторов получены в результате экспериментов с конкретными образцами микросхем. С другими экземплярами микросхем характеристики могут быть несколько отличными. Формулы для расчета частоты соответствуют напряжению питания 5 В и температуре окружающей среды 25°С. Нагрузочная способность генераторов такая же, как у элементов микросхем серии К561. Верхняя граница напряжения питания генераторов также определена применяемой серией микросхем и равна 15 В, а нижняя указана в таблице. Верхний предел сопротивления резисторов я установил из практических соображений на уровне 40 МОм.
В генераторах с емкостной положительной обратной связью амплитуда импульсов на входе элемента может превысить напряжение питания. В этих случаях открываются входные защитные диоды, и через них начинает протекать ток. Для ограничения этого тока во входную цепь приходится устанавливать резистор сопротивлением 1...150 кОм, как это указано в [1] и использовано в [2].
Все рассмотренные в этой статье генераторы имеют мягкое возбуждение. Иначе говоря, как бы медленно ни увеличивалось напряжение питания, генератор все равно заработает.
Генератор на элементах 2И-НЕ (рис.1,а) стал уже классическим и известен по большому числу публикаций. Он сохраняет работоспособность припонижении напряжения питания Uпит до 2 В, при этом, правда, значительно уменьшается частота генерации.
Скважность импульсов близка к двум при любом напряжении питания. В результате разогревания корпуса микросхемы частота несколько уменьшается (на 4 % при 85°С).
Подобный генератор может быть выполнен и на двух логических элементах 2ИЛИ-НЕ (рис.2,а), на двух инверторах (рис. 3,а), а также на трех инверторах (рис.4,а). Подробности о работе и различиях генераторов на двух и трех инверторах можно узнать из [3]. Отметим, что у генератора на элементах 2ИЛИ-НЕ частота генерации практически не зависит от температуры корпуса микросхемы, а у генераторов на инверторах частота очень стабильна на участке Uпит=9...15 В.
На рис.5,а показана схема простейшего LC-генератора с логическим элементом 2И-НЕ. LC-цепь сдвигает фазу выходного сигнала элемента на 180 град., в результате этого происходит самовозбуждение генератора. Такие генераторы хорошо работают на повышенных значениях частоты, мягко возбуждаются и отличаются высокой температурной стабильностью [3].
При увеличении частоты сверх 1,3 МГц амплитуда выходных импульсов начинает падать.
В генераторе могут также работать элементы 2ИЛИ-НЕ, причем в этом случае он вырабатывает не прямоугольные импульсы, а колебания, по форме близкие к синусоидальным.
Для устойчивой работы генератора волновое сопротивление LC-контура не должно быть менее 2 кОм. Частота генерации практически совпадает с резонансной частотой LC-контура. Достоинство генератора - высокая температурная стабильность частоты.
Подобные по структуре генераторы можно выполнить на одном элементе триггере Шмитта (рис. 6,а). При напряжении питания, близком к максимальному, они весьма стабильны по частоте. Кроме того, они исключительно экономичны - при напряжении питания менее 6 В потребляют ток всего в несколько десятков микроампер.
Литература
Автор: C.Елимов, г.Чебоксары