Генераторы на КМОП микросхемах
категория
Цифровые микросхемы и их применение
В. ПОЛЯКОВ, г. Москва
Журнал Радио 1998 год, номер 2
В экспериментах с широко распространенной КМОП микросхемой К176ЛА7 автору удалось реализовать два простых генератора, которые мы предлагаем читателям.
В радиолюбительской практике нередко возникает потребность в высокостабильном генераторе, а кварцевого резонатора с нужной рабочей частотой найти не удается. Если есть резонатор с более высокой частотой, то можно, например, сделать генератор с кварцевой стабилизацией частоты, а затем с помощью делителя понизить ее до нужной величины. Для такого устройства требуется обычно не менее двух микросхем. Между тем, когда в распоряжении радиолюбителя имеется резонатор с рабочей частотой в три раза выше требуемой, решить проблему можно гораздо проще. В генераторе, схема которого показана на рис. 1, автор использовал кварцевый резонатор на частоту 500 кГц, а прямоугольные колебания на выходе генератора имели частоту 166,(6) кГц. Можно взять резонаторы и на другие частоты (от десятков кГц до нескольких МГц), но при этом придется экспериментально подобрать конденсатор С1 и резистор R1. (Чем выше частота, тем номиналы должны быть меньше, и наоборот).
Но как же работает такой генератор, если на частотах ниже основной никаких резонансов у кварца нет? А дело в том, что в приведенном на рис. 1 RC-генераторе есть все условия для самовозбуждения. Действительно, параллельная емкость кварца и кварцедержателя образует цепь положительной обратной связи, а резистор R1 замыкает цепь ООС по постоянному току, которая обеспечивает линейный режим работы двух первых элементов микросхемы DDI. Подбирая резистор R1 и конденсатор С1, устанавливают частоту генератора чуть ниже, чем рабочая частота кварцевого резонатора, разделенная на три. Крутые фронты прямоугольных импульсов возбуждают резонатор на ого основной частоте. Возникающее на его выводах напряжение с частотой 500 кГц синхронизирует RC-генератор, причем очень жестко, с точностью до фазы.
Все это можно наблюдать с помощью осциллографа, подключив щуп с малой входной емкостью (чтобы не нарушить работу генератора) к правому по схеме выводу кварцевого резонатора. На экране видно, как на прямоугольные колебания с частотой 166,(6) кГц накладываются меньшие по амплитуде синусоидальные колебания с частотой 500 кГц. Полоса синхронизации описанного генератора довольно велика, поэтому такие дестабилизирующие факторы, как изменения в некоторых пределах напряжения питания, температуры и номиналов элементов, практически не влияют на его работу. Стабильность же его частоты целиком определяется использованным кварцевым резонатором.
Другой генератор, в отличие от только что описанного, обладает очень широким диапазоном перестройки, и здесь о стабильности частоты говорить уже не приходится - она полностью (зависимость от температуры не исследовалась) определяется стабильностью управляющего напряжения. Схема генератора приведена на рис. 2. В нем установлен только один блокировочный конденсатор, который препятствует проникновению колебаний генератора в цепь управления частотой и защищает ее от внешних наводок. В работе собственно генератора он не участвует. Все элементы микросхемы соединены последовательно, на трех первых из них собран генератор, а на четвертом -выходной буферный каскад.
Цепь обратной связи образована резистором R1, по постоянному току она отрицательная и поэтому обеспечивает линейный режим работы элементов генератора. В каждом из них сигнал задерживается на определенное время, причем длительность этой задержки сильно зависит от напряжения питания - чем оно выше, тем задержка меньше. Сдвиг фазы колебаний пропорционален произведению времени задержки на частоту. На достаточно высокой частоте сдвиг фазы в каждом элементе микросхемы достигает 60, а на всех трех - 180°. В результате ООС превращается в положительную и на этой частоте генератор возбуждается. При увеличении напряжения питания с 3 до 12 В частота генератора изменяется примерно от 300 кГц до 6 МГц, т. е. в 20 раз. Потребляемый ток возрастает при этом от долей миллиампера до 2 мА. Чтобы генератор перекрыл, например, средневолновый диапазон (500... 1600 кГц), напряжение питания должно измениться всего от 3,5 до 5 В. Диапазон частот можно изменить подбором резистора R1.
Достоинство описанного генератора -его исключительная простота, а основной недостаток - сильная зависимость выходного напряжения от частоты.