RU208486U1

RU208486U1 - Генератор

Info

Publication number: RU208486U1
Application number: RU2021108605U
Authority: RU
Inventors: Никита Иванович Бороденков; Олег Сергеевич Бохов; Артем Вячеславович Смирнов; Валентин Михайлович Шилков
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2021-12-21

Abstract

Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована для генерирования электрических колебаний в интегральных микросхемах. Техническим результатом является уменьшение нестабильностей частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления. Результат обеспечивается тем, что в генератор, содержащий первый усилитель, вход которого соединен с выходом канала обратной связи, представляющего собой пассивный четырехполюсник, дополнительно введены три усилителя и резистор, при этом вход второго усилителя объединен с выходом первого усилителя, входом третьего усилителя и выходом четвертого усилителя, вход которого соединен с выходом второго усилителя и через резистор подключен к общей шине, а выход третьего усилителя соединен со входом канала обратной связи, при этом в каждой паре усилителей первый - третий и второй - четвертый один из усилителей является инвертирующим, а другой - неинвертирующим, усилители и резистор образуют составной усилитель и параметры резистора определяют его характеристики. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована для генерирования электрических колебаний в интегральных микросхемах.

Известны генераторы электрических колебаний (см. Авторское свидетельство SU288059 А1. Д.Ф. Зайцев. Генератор электрических колебаний. Опубликовано 03.12.1970, бюллетень №36. Патент RU2707394 С2. В.В. Хозинский, А.И. Верещагин, А.В. Топоров. Генератор. Опубликовано 26.11.2019, бюллетень №33), которые содержат усилители и цепи положительной обратной связи.

Недостатками генераторов являются нестабильности частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления из-за изменений характеристик усилителей при влияниях воздействующих факторов (ВФ): технологических отклонениях параметров элементов, уходе напряжения питания, временном дрейфе, колебаниях температуры и других внешних ВФ.

Известен генератор (см. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. / Под ред. В.Н. Ушакова - СПб.: Питер, 2014, с. 275), содержащий усилитель, вход и выход которого соединены с выходом и входом канала обратной связи, представляющем собой пассивный четырехполюсник.

Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатками прототипа также являются нестабильности частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления из-за изменений характеристик усилителя при влияниях ВФ.

Решаемой задачей является создание генератора с уменьшенными нестабильностями частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления.

Достигаемым техническим результатом является компенсация влияния усилителя прототипа на усилительные и частотные характеристики петли положительной обратной связи генератора, что обеспечивает уменьшение нестабильностей частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления.

Для достижения технического результата в генераторе, содержащем первый усилитель, вход которого соединен с выходом канала обратной связи, представляющего собой пассивный четырехполюсник, дополнительно введены три усилителя и резистор, при этом вход второго усилителя объединен с выходом первого усилителя, входом третьего усилителя и выходом четвертого усилителя, вход которого соединен с выходом второго усилителя и через резистор подключен к общей шине, четыре усилителя и резистор образуют составной усилитель, входом которого служит вход первого усилителя, а выходом - выход третьего усилителя, соединенный со входом канала обратной связи, выходом генератора является выход составного усилителя, при этом в каждой паре усилителей первый - третий и второй - четвертый один из усилителей является инвертирующим, а другой - неинвертирующим, при этом все усилители выполнены в интегральном исполнении, позволяющем обеспечить идентичность параметров однотипных усилителей, а параметры резистора определяют характеристики составного усилителя

Сущность заявляемой полезной модели поясняется фиг. 1, где изображена схема заявляемого генератора.

Генератор содержит первый усилитель 1 (УI), вход которого соединен с выходом канала обратной связи 6 (КОС), вход второго усилителя 2 (УII) объединен с выходом первого усилителя 7, входом третьего усилителя 3 (УIII) и выходом четвертого усилителя 4 (УIУ), вход которого соединен с выходом второго усилителя 2 и через резистор 5 (R) подключен к общей шине, а выход третьего усилителя 3 соединен со входом канала обратной связи 6.

Усилители 1-4 и резистор 5 образуют составной усилитель 7, который охвачен положительной обратной связью по каналу обратной связи 6. Входом составного усилителя 7 служит вход первого усилителя 1, а выходом - выход третьего усилителя 3, соединенный со входом канала обратной связи, выходом генератора является выход составного усилителя 7, при этом в каждой паре усилителей первый 1 - третий 3 и второй 2 - четвертый 4 один из усилителей является инвертирующим, а другой - неинвертирующим, при этом все усилители выполнены в интегральном исполнении, позволяющем обеспечить идентичность параметров однотипных усилителей, а параметры резистора 5 определяют характеристики составного усилителя 7.

Возникновение нарастающих собственных колебаний возможно тогда, когда усилители содержат активные элементы, например, полупроводниковые транзисторы, которые передают в генератор часть энергии от внешних источников. Приведенная на фиг. 1. схема соединений активных усилителей 1-4 обеспечивает взаимную компенсацию их влияний на усилительные и частотные характеристики петли генератора. Канал обратной связи 6 обычно представляет собой пассивный четырехполюсник, определяющий частотные характеристики петли генератора и содержащий резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, кварцевые и пьезорезонаторы.

Устройство работает следующим образом. После начального пуска, например, после включения напряжения питания в составном усилителе 7 устанавливается активный режим по постоянному току, обеспечивающий на генерируемой частоте необходимое усиление сигнала при обходе петли обратной связи. При соблюдении условий самовозбуждения в генераторе возникают нарастающие колебания, начиная с амплитуд флуктуационного уровня, без специального внешнего воздействия. На начальном этапе запуска, пока амплитуда колебаний мала, цепь можно рассматривать как линейную. С ростом амплитуды колебаний элементы генератора переходят в нелинейные режимы. Амплитуда колебаний достигает установившегося значения, и генератор переходит в стационарный режим работы.

Усилитель и канал обратной связи любого генератора описывают комплексными коэффициентами передачи

В стационарном режиме работы на генерируемой частоте ω_г должны выполняться условия баланса амплитуд и баланса фаз

После начального пуска генератора для обеспечения режима самовозбуждения условие (1) переходит в требование к коэффициенту петлевого усиления

Условие (3) должно выполняться с учетом влияний всех ВФ и необходимых технологических запасов.

Изменения характеристик узлов любого генератора влияют на режимы его работы. Например, если ВФ вызвали уход фазового сдвига усилителя Δϕ_K(ω_г), то для восстановления баланса фаз (2) должны измениться фазовый сдвиг в канале обратной связи Δϕ_β(ω_г)=-Δϕ_K(ω_г) и, соответственно, частота генерирования. При уменьшении коэффициента передачи усилителя может быть нарушено требование (3), и генератор не выходит в режим самовозбуждения.

Моделью усилителей 1-4 заявляемого генератора и усилителя прототипа, реализованных, например, на КМОП-каскадах, может служить зависимый источник тока, управляемый напряжением. Его функционирование определяют следующие элементы матрицы малосигнальных проводимостей:

Входом составного усилителя, работающего в петле заявляемого генератора, служит вход первого усилителя 7, а выходом - выход третьего усилителя 3. Используя метод узловых напряжений и формулу (4), с учетом режимов определения Y-параметров находим элементы матрицы

где

, - ток короткого замыкания на выходе третьего усилителя 3;

- напряжение на входе первого усилителя 7; Y_21-i - проводимость прямой передачи i-го усилителя Уi, i=1, 2, 3, 4; Y_R - проводимость резистора 5.

В каждой паре усилителей УI-УIII и УII-УIV один из усилителей является инвертирующим, а другой - неинвертирующим. Интегральное исполнение генератора позволяет обеспечить идентичность параметров однотипных усилителей, например, получить Y_21-1=Y_21-2 и Y_21-3=Y_21-4как при номинальных условиях, так и при влияниях ВФ. Учитывая полученные равенства, формулу (5) можно упростить:

Таким образом, характеристики составного усилителя, который включен в петлю заявляемого генератора, определяет резистор 5, а влияния усилителей УI-УIV взаимно скомпенсированы.

Можно применить не одинаковые однотипные усилители, а выполнить масштабирование их параметров Y_21-1=тY_21-2,…, например, используя параллельное соединение МОП-транзисторов с каналами одного типа проводимости, пропорционально изменяя ширины каналов и т.п.

Технологии изготовления интегральных микросхем позволяют обеспечить лучшие частотные свойства пассивных элементов, например, пленочных резисторов, по сравнению с активными, например, с полупроводниковыми транзисторами. Поэтому вклад фазового сдвига ϕ_K(ω_г) в баланс фаз (2) для составного усилителя ниже прототипа. Для резисторов по сравнению с активными элементами характерен также меньший уход параметров при влияниях ВФ: технологических отклонениях, колебаниях напряжения питания, изменениях температуры и т.д. Поэтому уменьшаются нестабильности фазового сдвига ϕ_K(ω_г) и модуля коэффициента усиления составного усилителя, т.е. частоты генерирования и коэффициента петлевого усиления.

Для используемой схемно-технологической базы с увеличением коэффициента петлевого усиления обычно растут нелинейные искажения сигнала в стационарном режиме и соответствующие отклонения частоты генерирования. Применение схемы заявляемого генератора позволяет снизить отклонения петлевого усиления при влияниях ВФ, поэтому можно уменьшить его номинальное значение, не нарушая условие (3). При этом в стационарном режиме снижаются нелинейные искажения, форма сигнала приближается к синусоидальной, и уменьшается соответствующая составляющая нестабильности частоты генерирования.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет компенсировать влияние усилителя прототипа на усилительные и частотные характеристики петли положительной обратной связи генератора, что обеспечивает уменьшение нестабильностей частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления.

Claims

Генератор, содержащий первый усилитель, вход которого соединен с выходом канала обратной связи, представляющего собой пассивный четырехполюсник, отличающийся тем, что дополнительно введены три усилителя и резистор, при этом вход второго усилителя объединен с выходом первого усилителя, входом третьего усилителя и выходом четвертого усилителя, вход которого соединен с выходом второго усилителя и через резистор подключен к общей шине, четыре усилителя и резистор образуют составной усилитель, входом которого служит вход первого усилителя, а выходом - выход третьего усилителя, соединенный со входом канала обратной связи, выходом генератора является выход составного усилителя, при этом в каждой паре усилителей первый - третий и второй - четвертый один из усилителей является инвертирующим, а другой - неинвертирующим, при этом все усилители выполнены в интегральном исполнении, позволяющем обеспечить идентичность параметров однотипных усилителей, а параметры резистора определяют характеристики составного усилителя.