Задающие генераторы

Большинство цифровых устройств содержат генераторы, которые задают рабочие частоты внутренних тактов, работающих от них распределители, которые обеспечивают подачу требуемых управляющих сигналов в заданные узлы схемы. Различные схемотехнические решения позволяют удовлетворить широкому диапазону требований, предъявляемых к генераторам и распределителям.

Генераторы прямоугольных импульсов строятся на основе отдельных транзисторов, операционных усилителей (ОУ), цифровых интегральных микросхем и логических элементов, чаще всего без использования индуктивности, а только с RC-цепями. Генераторы характеризуются рабочей частотой генерации, нестабильностью частоты, обусловленной нестабильностью используемых активных и пассивных элементов, возможностью перестройки частоты и, в частности, кратностью перестройки изменением сопротивлений резисторов. Основные оценочные характеристики генераторов прямоугольных импульсов в зависимости от используемой элементной базы приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

* Верхний предел диапазона рабочих частот определяется типом применяемых активных элементов.

При выборе типа генератора следует иметь в виду, что для получения низких и инфранизких частот (100…10^–3 s^–1) часто целесообразно строить среднечастотные генераторы, а требуемую частоту получать с помощью счетчиков – делителей. При этом не происходит увеличение габаритов, так как в среднечастотных генераторах используются конденсаторы или кварцевые резисторы меньших размеров, а стабильность среднечастотных генераторов, как правило, выше.

Учитывая невысокие качественные показатели генераторов на дискретных компонентах (транзисторах), а также необходимость дополнительных источников питания и сложность согласования генераторов на ОУ с цифровыми устройствами обработки информации, рассмотрим основные схемы генераторов на ЛЭ и специальные цифровые микросхемы генераторов.

Генератор на ЛЭ может быть построен, если обеспечены достаточный коэффициент усиления активного элемента и положительная обратная связь на частоте генерации. Использование в качестве активного элемента инвертора из состава какой-либо серии цифровых ИС возможно, если на его вход подать напряжение смещения так, чтобы вывести рабочую точку А в область передаточной характеристики с большим (20…100) коэффициентом усиления, как показано на рис. 3.19 а. Вывод рабочей точки в заданную область передаточной характеристики может быть осуществлен либо включением делителя напряжения R₁, R₂ (рис. 3.19 б) либо за счет обратной связи с выхода ЛЭ на его вход через резистор R (рис. 3.19 в).

Рисунок 3.19 – Передаточная характеристика инвертора – а) и способы выведения рабочей точки А в активную область – б), в)

При расчете делителя следует стремиться к увеличению сопротивления резисторов R₁ и R₂, учитывая, однако, протекание через делитель входного тока ЛЭ. В случае использования ЛЭ ТТЛ или ТТЛШ, как правило, принимают R₂ = , а R₁ рассчитывают так, чтобы входной ток ЛЭ создавал на нем достаточное падение напряжения (1,3…1,8 V). Сопротивление R (см. рис. 3.19 в) также выбирается с учетом входного сопротивления и входных токов ЛЭ. Значения этого сопротивления порядка 200…300 W для элементов серий К155 и К531, 2…3 kW для ЛЭ серии К555, 10⁵…10⁷ W для элементов серий КМОПТЛ. Включение резисторов по схеме рис. 3.19 в создает отрицательную обратную связь (ООС) также и по переменному напряжению, что затрудняет возникновение генерации.

Работа ЛЭ генератора в активной области передаточной характеристики может быть обеспечена также за счет общей ООС, охватывающей сразу несколько ЛЭ.

На рис. 3.20 приведена схема генератора на ЛЭ ТТЛ-серии. Генератор состоит из нечетного числа замкнутых в кольцо ЛЭ. Частота генерации приблизительно равна 2nt₃, где – задержка переключения ЛЭ, n – число ЛЭ в кольце, причем и нечетно.

Рисунок 3.20 – Генератор из замкнутых в кольцо ЛЭ

Широко распространена схема мультивибратора, изображенного на рис. 3.21 а, б. Она содержит две времязадающие RC-цепи. Смещение на ЛЭ подается за счет падения напряжения на R₁ и R₂ от протекающих входных токов.

Рисунок 3.21 – Генератор с двумя времязадающими цепями

Генерируется частота Скважность выходных импульсов может устанавливаться в пределах 1,2…4. В этой схеме при фиксированных R₁ и R₂ для получения импульсов с высокой частотой приходится уменьшать C₁ и C₂. При С < 20 pF работа генератор становится неустойчивой. Повышение частоты работы достигается в схеме, приведенной на рис. 3.21 б за счет уменьшения сопротивления резисторов смещения и организации обратной связи через DD1.3, DD1.4, создающей смещение при состоянии выходов DD1.1 и DD1.2, равной 1, и обеспечивающей, таким образом, условия генерации. Необходимо отметить, что рассмотренная схема устойчива в статике, т.е. при включении питания генератор не обязательно начинает вырабатывать выходные импульсы и для «оживления» генератора необходим импульс запуска – для выведения из устойчивого состояния. Т.е. рассмотренная схема генератора является схемой с жестким возбуждением.

Схемы генераторов с одной времязадающей RC-цепью приведены на рис. 3.22, 3.23. В генераторе, показанном на рис. 3.22 работа DD1.1 в активной области обеспечена ООС через R₁, а DD1.2 – напряжением с выхода DD1.1, подаваемым через R₂. Положительная обратная связь создается включением С. Рассмотренная схема не требует импульса запуска – схема с мягким возбуждением.

Рисунок 3.22 – Генератор с отрицательной ОС одного ЛЭ

В другом генераторе (рис. 3.23) активный режим работы ЛЭ реализован за счет общей для всех ООС через R₁. В этих схемах , а скважность выходных импульсов практически не регулируется. В качестве DD1.1 …DD1.3 целесообразно использовать ЛЭ с открытым коллектором, включив требуемые нагрузочные резисторы, что обеспечивает большую стабильность

Рисунок 3.23 – Генератор с общей ООС

На рис. 3.24 приведены некоторые схемы генераторов импульсов на ЛЭ КМОПТЛ. В схемах а и б рис. 3.24 ЛЭ выведены в активную область за счет ООС через R₁. Резистор R₂ ограничивает ток через защитные диоды входной цепи ЛЭ и выбирается в приделах W. Частота генерации , скважность импульсов в небольших пределах может регулироваться подбором R₂.

Рисунок 3.24 – Генераторы импульсов на КМОП-элементах

В рассмотренных схемах генераторов высокая стабильность частоты может быть обеспечена включением кварцевого резонатора с требуемой резонансной частотой вместо одного из конденсаторов, с сохранением неизменными значений других элементов. На рис. 3.25 приведена схема кварцевого генератора на одном ЛЭ КМОПТЛ. ЛЭ работает в активной области за счет ООС через R₁ (R₁ = 10⁷ W). Резистор R₂ сопротивлением 10…100 kW служит для согласования фаз в цепи частотно-избирательной обратной связи. Емкости С₁, С₂ и индуктивность резонатора образуют колебательный контур. Изменением С₁ можно подстраивать частоту генератора.

Рисунок 3.25 – Кварцевый генератор на одном ЛЕ

Использование для построения генераторов специальных ИС позволяет уменьшить число навесных элементов, расширить возможности формирования требуемых импульсных последовательностей (К531ГГ1, К564ГГ1 и др.).

Вопросы для самопроверки

1. Приведите схему простейшего компаратора и определите область его использования.

2. Назовите важнейшие требования, предъявляемые к компаратору.

3. Чем тригер Шмитта отличается от компаратора.

4. Охарактеризуйте область важнейших применений тригера Шмитта.

5. Назовите наиболее важне параметры аналогових ключем.

6. Охарактеризуйте возможности использования умножающих ЦАП при построении блоков цифрового ввода информации.

7. Охарактеризуйте область применения схем выборки-хранения и назовите важнейшие параметры устройства.

8. Приведите схемы генератора с мягким возбуждением и с жестким и объясните их отличия.