Генератора прямокутних імпульсів на мікросхемі КМОП

С. Єлімом, м. Чебоксари

Автор цієї статті провів експериментальну роботу по дослідженню характеристик різних генераторів на мікросхемах структури КМОН. У результаті він відібрав кілька найбільш цікавих, на його погляд, варіантів їх виконання, які ми і пропонуємо до уваги читачів.

У запропонованій статті коротко описані кілька схемних рішень генератора прямокутних імпульсів, за будовою на різних мікросхемах серії К561. За своєю структурою стаття – порівняльно-довідкова. До кожної схемою дано перелік параметрів і особливостей (див. таблицю), а також графічні залежності споживаного струму і генерується частоти від напруги живлення.

Крім цього, для кожного генератора вказана формула, що дозволяє обчислювати значення генерованої частоти в залежності від номіналів елементів частотозадающей ланцюга (частота – в герцах, опір – В Омасі, ємність – в Фарада, індуктивність – у генрі; більш зручно, до речі, для RC-генераторів: частота – у кілогерц, опір – в кілоомах, ємність – в мікрофарад; для LC-генераторів: частота – В мегагерцах, ємність – в нанофарадах, індуктивність – у міллігенрі). Розрахункові формули для ряду генераторів отримані дослідним шляхом.

Усі надані у статті характеристики розглянутих генераторів отримані в результаті експериментів з конкретними зразками мікросхем. З іншими примірниками мікросхем характеристики можуть бути кілька відмінними. Формули для розрахунку частоти відповідають напрузі живлення 5 В і температурі навколишнього середовища 25'С. Навантажувальна здатність генераторів така ж, як у елементів мікросхем серії К561. Верхня межа напруги живлення генераторів також визначена застосовуваної серією мікросхем і дорівнює 15 В, а нижня вказана в таблиці. Верхня межа опору резисторів я встановив з практичних міркувань на рівні 40 МОм.

У генераторах з ємнісний позитивним зворотним зв'язком амплітуда імпульсів на вході елемента може перевищити напруга живлення. У цих випадках відкриваються вхідні захисні діоди, і через них починає протікати струм. Для обмеження цього струму у вхідні ланцюг доводиться встановлювати резистор опором 1 … 150 кОм, як це зазначено в [1] і використано в [2].

Всі розглянуті в цій статті генератори мають м'яку збудження. Інакше кажучи, як би повільно ні збільшувалася напруга живлення, генератор все одно запрацює.

Генератор на елементах 2И-НЕ (рис. 1, а) став вже класичним і відомий по великому числу публікацій. Він зберігає працездатність при зниженні напруги живлення Uпіт до 2 В, при цьому, щоправда, значно зменшується частота генерації.

Шпаруватості імпульсів близька до двох при будь-якому напрузі живлення. У результаті розігрівання корпусу мікросхеми частота трохи зменшується (на 4% при 85'С).

Подібний генератор може бути виконаний і на двох логічних елементах 2ІЛІ-НЕ (рис. 2, а), на двох інвертори (рис. 3, а), а також на трьох інвертори (рис. 4, а). Подробиці про роботу і розходження генераторів на двох та трьох інвертора можна дізнатися з [3]. Відзначимо, що у генератора на елементах 2ІЛІ-Hе частота генерації практично не залежить від температури корпусу мікросхеми, а у генераторів на інвертора частота дуже стабільна на ділянці Uжив = 9 … 15 В.

Генератор за схемою на рис. Нижня межа опору резистора R1, кОм Найбільша частота генерації, МГц Мінімальна напруга живлення, В Зміна частоти при нагріванні до 85'С,% Шпаруватості вихідних імпульсів
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 >2

На рис. 5, а показана схема найпростішого LC-генератора з логічним елементом 2И-НЕ. LC-ланцюг зрушує фазу вихідного сигналу елемента на 180 град., В результаті цього відбувається самозбудження генератора. Такі генератори добре працюють на підвищених значеннях частоти, м'яко порушуються і відрізняються високою температурною стабільністю [3].

При збільшенні частоти понад 1,3 МГц амплітуда вихідних імпульсів починає падати.

У генераторі можуть також працювати елементи 2ІЛІ-НЕ, причому в цьому випадку він виробляє не прямокутні імпульси, а коливання, за формою близькі до синусоїдальним.

Для стійкої роботи генератора хвильовий опір LC-контура p = VL / C не повинно бути менше 2 кОм. Частота генерації практично збігається з резонансною частотою LC-контура. Гідність генератора – Висока температурна стабільність частоти.

Подібні за структурою генератори можна виконати на одному елементі – тригері Шмітта (рис. 6, а). При напрузі живлення, близькому до максимального, вони досить стабільні по частоті. Крім того, вони виключно економічні – при напрузі живлення менше 6 У споживають струм всього в декілька десятків мікроампер.

ЛІТЕРАТУРА

1. Бірюков С. А. Цифрові пристрої на МОП-інтегральних мікросхемах, вип. 1132, с. 60-65; вип. 1220, с. 105-111. – М.: Радіо і зв'язок, 1990; 1996 (МРБ).
2. Нечаєв І. Пробник логічний без джерела живлення. – Радіо, 1990, N 10, с. 83,84.
3. Бірюков С. Генератори і формувачі імпульсів на мікросхемах КМОП. – Радіо, 1995, N 7, с.36, 37.
4. Ківерін Н. LC-генератор на логічних елементах. – Радіо, 1990, N 7, с. 55.

Радіо (2000)

Джерело матеріалу.