2.4. Тактовые генераторы
Тактовые опорные генераторы [51] используются в микропроцессорных устройствах управления, в компьютерах, в вычислительных системах. Как правило, в таких случаях не нужны очень высокие показатели стабильности частоты. Основные требования к тактовым опорным генераторам: рабочая частота до нескольких сотен мегагерц; совместимость с компонентами использованной цифровой логики по уровням сигнала и нагрузочной способности; возможность поверхностного монтажа; форма выходного сигнала, близкая к двухуровневой, а иногда к трёхуровневой (для цифровой логики с тремя стабильными состояниями); экономичность по потребляемой мощности; малый уровень дрожания фазы; допустимый уровень паразитных электромагнитных излучений.
В первом приближении способность генератора сохранять стабильную частоту колебаний обратно пропорциональна квадрату эквивалентной добротности его колебательной системы. Для колебательных систем, отличающихся от стандартного одиночного LC-колебательного контура можно считать, что эквивалентная добротность обратно пропорциональна крутизне зависимости фазового сдвига от частоты в окрестности частоты генерации. При невысоких требованиях к стабильности частоты в качестве тактовых могут использоваться релаксационные автогенераторы с RC-колебательной системой, эквивалентная добротность которых порядка десяти. Типовые значения кратковременной нестабильности частоты опорных тактовых генераторов составляют (1…50) млн-1, выходные частоты - от 1кГц до 350 МГц.
Двухуровневые выходные сигналы опорной частоты предназначены для цифровой логики типа ТТЛШ, ЭСЛ, HCMOS и т.д. Согласование формы и уровня выходного сигнала тактового генератора и использованных цифровых компонентов характеризуется допустимым отклонением его сигнала от пороговых уровней логических элементов, которые различаются по уровням и по знаку в зависимости от типа логики.
Стабильные
уровни выходного напряжения тактового
генератора должны быть в достаточной
степени симметричными относительно
середины между стандартными уровнями
логики использованного типа. Количественно
симметричность выходного сигнала
тактового генератора оценивается (см.
рис. 2.5) отношением времени превышения
середины между зонами логических уровней
к периоду колебаний
.
Коэффициент симметричности kc
для тактовых генераторов среднего
качества принимает значение от 35 до
65%, для высококачественных – от 48 до
52%.
Рис. 2.5. Оценка симметричности выходного сигнала тактового генератора относительно уровней цифровой логики
Новые возможности улучшения характеристик электромагнитной совместимости вычислительных устройств и снижения их радиозаметности открываются благодаря введению в тактовых генераторах режима расширения спектра. Существо метода расширения спектра поясняется на рис. 2.6. Спектральная плотность мощности (СПМ) обычного тактового генератора сосредоточена вблизи средней частоты f0 и её гармоник. В паразитных радиоизлучениях компьютера, микропроцессора, монитора или иного тактируемого устройства, выполненного на основе такого генератора, содержатся пиковые спектральные и временные компоненты, нарушающие нормы электромагнитной совместимости, а иногда позволяющие получить несанкционированный доступ к обрабатываемой информации черезокружающее электромагнитное поле. В моделях тактовых генераторов с расширением спектра введены средства внутренней частотной модуляции, что позволяет распределить энергию сигнала тактового генератора по полосе частот в пределах (0,5…3)% вокруг частоты f0 и тем самым снизить пиковые значения СПМ.
Рис.2.6. Расширение спектра колебаний тактового генератора (а) и закон встроенной частотной модуляции для этого (б)
Тактовые генераторы выполняются в различном конструктивном оформлении. Например, на рис. 2.7 представлен внешний вид тактового генератора, предназначенного для поверхностного монтажа. Ряд моделей тактовых генераторов в интегральном исполнении имеет очень высокую прочность по отношению к линейным ускорениям (до 5000 g) и вибрациям.
Рис. 2.7. Внешний вид опорного тактового генератора с повышенной стойкостью к вибрациям