Усилительные параметры КМОП инвертора

Основной характеристикой усилителя является его коэффициент усиления и зависимость коэффициента усиления от частоты. Для измерения коэффициента усиления инвертора может быть использована схема, подобная приведенной на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Схема измерения усилительных свойств логического инвертора

В качестве примера на рис. 7.3 приведена амплитудно-частотная характеристика инвертора 74LVC1GU04. Характеристика взята из материалов, размещенных на сайте фирмы Texas Instruments. Приведенную амплитудно-частотную характеристику можно считать типовой для КМОП микросхем.

Рис. 7.3. Амплитудно-частотная характеристика инвертора 74LVC1GU04

Как видно из приведенных характеристик, коэффициент усиления инвертора зависит от напряжения питания. Чем меньше напряжение питания микросхемы, тем меньше результирующий коэффициент усиления инвертора.

Кроме того, на амплитудно-частотной характеристике явно наблюдается спад коэффициента усиления на частотах выше 5 МГц. Тем не менее, эта схема пригодна для построения генераторов, работающих на частотах вплоть до сотни мегагерц. Это обусловлено тем, что для возникновения колебаний в схеме генератора достаточно, чтобы коэффициент передачи активного элемента превышал единичное значение.

Осцилляторные схемы

Рассмотрим схему простейшего генератора. Для его самовозбуждения необходимо обеспечить баланс фаз на заданной частоте. Баланс амплитуд обеспечивается за счет усилительных свойств активного элемента. Генератор может быть выполнен по схеме индуктивной или емкостной трехточки. Такие схемы называются осцилляторными. В настоящее время обычно используется схема емкостной трехточки, как более дешевый вариант реализации генератора. На рис. 7.4 приведена подобная схема, выполненная на биполярном транзисторе.

Рис. 7.4. Емкостная трехточка, выполненная на биполярном транзисторе

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

Приведенная схема генератора незатухающих колебаний 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 вырабатывается синусоидальное напряжение. Его необходимо преобразовать к прямоугольной форме с логическими уровнями, 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 трехточки, построенной на основе логического инвертора, приведена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Емкостная трехточка, 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 схеме, собранной на логическом элементе, 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 приведенной на рис. 7.5 схеме это осуществляется замыканием входа и выхода логического элемента через индуктивность L1. В результате транзисторы инвертора переводятся в активный режим работы.

Форма сигнала на выходе первого инвертора благодаря фильтрующим свойствам контура будет близка к синусоидальной. Второй инвертор используется для преобразования ее к прямоугольной форме и приведения 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 генератора не будет влиять на генерируемую им частоту.

Известно, что стабильность частоты LC генератора невысока. Намного большей стабильностью обладают кварцевые генераторы. Схему на одном инверторе можно использовать и для построения генераторов с кварцевой стабилизацией. В этом случае, в емкостной трехточке вместо индуктивности следует включить кварцевый резонатор. Схема кварцевого генератора, выполненного на одном логическом инверторе, приведена на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Схема кварцевого генератора

Емкости C1 и C2 в частотозадающей цепочке обычно выбираются в пределах от 10 до 30 пФ. Номинал этих конденсаторов определяется значением емкости кварцедержателя, которая колеблется от 3 до 5 пФ. Соотношение емкостей задает глубину обратной связи, а значит устойчивость запуска генератора в диапазоне температур. На высоких частотах значение емкостей конденсаторов обычно выбираются равными. В низкочастотных генераторах емкость C1 желательно выбирать меньше емкости конденсатора C2. Это обеспечит большее напряжение на входе инвертора, что, в свою очередь, приведет к меньшему потреблению тока. При необходимости подстройки частоты генератора в качестве емкости 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, приведенной на рис. 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 емкость C2 обеспечивают необходимый фазовый сдвиг и предотвращают самовозбуждение генератора на частоте емкости кварцедержателя. Кроме того, резистор R2 ограничивает мощность, рассеиваемую на кристалле кварца, что позволяет использовать в генераторе малогабаритные кристаллы.

Достаточно часто для уменьшения потребляемого тока возникает необходимость "останавливать" генератор. В этом случае вместо инвертора в схеме генератора можно использовать логический элемент "2И‑НЕ". Подобная схема приведена на рис. 7.7. Именно такая схема обычно используется в современных микросхемах в качестве задающего тактового генератора.

Рис. 7.7. Схема кварцевого генератора, выполненная на логическом элементе "2И‑НЕ"

Мультивибраторы

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

Рис. 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 R2×C2 и R4×C1. Период следования импульсов T определяется как сумма двух времен заряда конденсаторов:

Т = t_{зар 1} + t_{зар 2},

где t_{зар 1} = t 1 ln(U ¹/ U_пор);

t_зар2 = t 2 ln(U ¹/ U_пор)

Если скважность генерируемых колебаний не важна, то можно упростить схему мультивибратора, применив 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 рис. 7.9.

Рис. 7.9. Упрощенная схема мультивибратора

В схеме, приведенной на рис. 7.9, можно изменять только частоту генерируемых импульсов. Эта частота будет определяться постоянной времени t = R1·C1. Скважность генерируемого данной схемой колебания будет зависеть только от соотношения токов нуля и единицы выбранного логического элемента. Период T импульсов, вырабатываемых мультивибратором, определяется в первом приближении постоянной времени t = R1·C1 (Т = a×t, 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 возможность получить генератор, выходная частота которого могла бы изменяться в достаточно широких пределах. В этом случае в качестве частотозадающего элемента в генераторе может быть использован элемент с изменяемыми параметрами, например варикап в качестве емкости или полевой транзистор в качестве резистора. Схема такого генератора, управляемого напряжением, приведена на рис. 7.10.

Рис. 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 рис. 7.11.

Рис. 7.11. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты

В этой схеме кварцевый резонатор используется в качестве фильтра, включенного в цепь обратной связи. В результате самовозбуждение схемы возможно только на частотах, которые пропускаются этим фильтром.