Осцилляторные схемы

Рассмотрим схему простейшего генератора. Для его самовозбуждения необходимо обеспечить баланс фаз на заданной частоте. Генератор может быть выполнен по схеме индуктивной или ёмкостной трёхточки. Такие схемы называются осцилляторными. В настоящее время обычно используется схема ёмкостной трёхточки как более дешёвый вариант реализации генератора. На рисунке 7.4 приведена подобная схема, выполненная на биполярном транзисторе.

Рисунок 7.4 – Ёмкостная трёхточка, выполненная на биполярном транзисторе

В этой схеме усилительный элемент (транзистор VT1) включен в схему контура L1,C2,C3, резонансная частота которого и задаёт частоту генерации. Глубина обратной связи задаётся соотношением ёмкостей этого контура и коэффициентом усиления транзистора на заданной частоте.

Получившаяся схема достаточно сложна. Это определяется количеством элементов термостабилизации (резисторы R1, R2, R3 и R4) и задания режима по постоянному току (резистор R3 и конденсатор C1). Колебания, формируемые таким генератором, не совсем подходят для синхронизации цифровых микросхем, так как на выходе описанного генератора присутствует синусоидальное напряжение. Его необходимо преобразовать к логическим уровням, которые воспринимают цифровые микросхемы.

Генератор можно построить и на основе одиночного логического инвертора. Как уже говорилось в предыдущих главах, любой логический элемент обладает усилением. Этим будет обеспечен баланс амплитуд. Баланс фаз обеспечим точно так же, как и в предыдущей схеме генератора, при помощи резонансного контура.

Схема индуктивной трёхточки, построенной на основе логического инвертора, приведена на рисунке 7.5.

Рисунок 7.5 – Ёмкостная трёхточка, выполненная на логическом инверторе

При реализации генераторов на логических элементах необходимо следить за тем, чтобы при запуске генератора логический элемент находился в активном режиме. В обычном включении логический инвертор находится в режиме ограничения. В таком режиме осуществляется жесткий режим запуска генератора, поэтому для возникновения колебаний в такой схеме требуется подать мощный импульс на вход инвертора.

Для самопроизвольного возникновения колебаний в схеме генератора (мягкий режим запуска генератора) необходимо перевести логический элемент в усилительный режим. Для этого инвертор необходимо охватить отрицательной обратной связью по постоянному току. В приведённой на рисунке 7.5 схеме это осуществляется замыканием входа и выхода логического элемента через индуктивность L1.

Сигнал на выходе первого инвертора благодаря фильтрующим свойствам контура будет синусоидальным. Второй инвертор используется для преобразования формы выходного напряжения к прямоугольной и доведения уровня генерируемого сигнала до цифровых логических уровней. Иными словами, он используется в качестве усилителя-ограничителя. Кроме того, этот инвертор выполняет функции развязывающего (буферного) усилителя. Это означает, что изменение параметров нагрузки не будет влиять на генерируемую частоту.

Известно, что стабильность частоты LC генератора невысока. Намного большей стабильностью обладают кварцевые генераторы. Схему на одном инверторе можно использовать и для построения кварцевых генераторов. В этом случае, в ёмкостной трёхточке вместо индуктивности следует включить кварцевый резонатор. Схема кварцевого генератора на одном логическом инверторе приведена на рисунке 7.6.

Рисунок 7.6 – Схема кварцевого генератора

Ёмкости С1 и С2 в частотозадающей цепочке обычно выбираются в пределах от 10 до 30 пФ. Значение этих ёмкостей определяется значением ёмкости кварцедержателя, которая колеблется от 3 до 5 пФ. Соотношение ёмкостей задаёт глубину обратной связи, а значит устойчивость запуска генератора в диапазоне температур. На высоких частотах ёмкости обычно выбираются равными. В низкочастотных генераторах ёмкость C1 желательно выбирать меньше ёмкости конденсатора C2. Это обеспечит большее напряжение на входе инвертора, что в свою очередь приведёт к меньшему потреблению тока. При необходимости подстройки частоты генератора в качестве ёмкости C2 может быть использован подстроечный конденсатор.

Кварцевый резонатор не пропускает постоянный ток, поэтому в кварцевом генераторе для обеспечения автоматического запуска генератора приходится использовать дополнительные резисторы. В схеме на рисунке 7.6 это резисторы R1 и R2. Резистор R1 переводит инвертор в активный режим. Соотношение резисторов R1/R2 определяет коэффициент усиления активного элемента генераторов.

При использовании очень высокочастотных кварцевых резонаторов резистор R2 для облегчения самовозбуждения генератора может отсутствовать. При работе с низкочастотными кварцевыми резонаторами резистор R2 и ёмкость C2 обеспечивают необходимый фазовый сдвиг и предотвращают самовозбуждение генератора на частоте ёмкости кварцедержателя. Кроме того, резистор R2 ограничивает мощность, рассеиваемую на кристалле кварца, что позволяет использовать в генераторе малогабаритные кристаллы.

Достаточно часто для экономии потребления электроэнергии возникает необходимость «останавливать» генератор. В этом случае вместо инвертора можно использовать логический элемент "2И". Подобная схема приведена на рисунке 7.7. Именно такая схема обычно используется в современных микросхемах в качестве задающего тактового генератора.

Рисунок 7.7 – Схема кварцевого генератора, выполненная на элементе логического "И"

Мультивибраторы

Еще одной распространённой схемой генераторов на логических элементах является схема мультивибратора. В этой схеме для реализации положительной обратной связи используется два инвертора. Каждый из усилителей осуществляет поворот фазы генерируемого сигнала на 180°. Схема мультивибратора приведена на рисунке 7.8.

Рисунок 7.8 – Схема мультивибратора на двух логических инверторах

Коэффициент усиления каждого из усилителей определяется соотношением резисторов R2/R1 и R4/R3. В этой схеме возможна независимая регулировка частоты и скважности генерируемых колебаний. Длительность импульсов и длительность паузы между импульсами регулируется независимо при помощи RC цепочек R1,C2 и R3,C1. Период следования импульсов Т определяется как сумма двух времен заряда конденсаторов:

Т = t_зар1 + t_зар2,

где t_зар1 = t1 ln(U¹/U_пор);

t_зар2 = t2 ln(U¹/U_пор).

Если скважность генерируемых колебаний не важна, то можно упростить схему мультивибратора, использовав второй инвертор по прямому назначению. Так как при реализации схемы генератора нас интересует максимальный петлевой коэффициент усиления, то последовательный резистор мы тоже можем исключить. Для обеспечения автоматического запуска генератора в схеме остается резистор, включенный с выхода на вход первого инвертора. В этом случае схема мультивибратора примет вид, показанный на рисунке 7.9.

Рисунок 7.9 – Упрощённая схема мультивибратора

В этой схеме можно изменять только частоту генерируемых импульсов. Эта частота будет определяться постоянной времени t = R1·C1. Скважность генерируемых импульсов будет зависеть только от соотношения токов нуля и единицы выбранного логического элемента. Период Т импульсов, вырабатываемых мультивибратором, определяется в первом приближении постоянной времени t = R1·C1 (Т = at, где a обычно имеет значение 1...2). Частоту следования импульсов можно определить (с точностью до 10 %) из выражения

f = 1/(2·R1·C1).

Достаточно часто требуется изменять в широких пределах выходную частоту генератора. В этом случае в качестве частотозадающего элемента в генераторе может быть использован элемент с изменяемыми параметрами, например варикап в качестве ёмкости или полевой транзистор в качестве резистора. Схема такого генератора, управляемого напряжением, приведена на рисунке 7.10.

Рисунок 7.10 – Схема генератора, управляемого напряжением

Учитывая, что сопротивление полевого транзистора может изменяться в пределах от 10 Ом до 10 МОм, генерируемая частота тоже может изменяться в десятки и сотни раз. Однако следует учесть, что такой генератор может быть использован только в цифровых схемах не связанных с обработкой сигналов, так как его спектральные характеристики оставляют желать лучшего. Обычно такая схема используется в цепях умножения частоты внутри цифровых микросхем повышенной производительности. Примером специализированных микросхем – генераторов могут служить микросхемы 531ГГ1 и 564ГГ1.

В схеме на мультивибраторе можно использовать и кварцевую стабилизацию частоты. Для этого нужно кварцевый резонатор включить в цепь обратной связи. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты приведена на рисунке 7.11.

Рисунок 7.11 – Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты

В этой схеме емкостная трехточка реализована с использованием индуктивного сопротивления кварцевого резонатора.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: