dsd11-12 / dsd-11=ТКС / full

Введение С2 увеличивает ξ. Поэтому выбранное значение ξ необходимо уменьшить, чтобы получить требумое ξ. На практике значение С2 выбирают из соотношения

Рис.7.24 Низкочастотный фильтр второго порядка.

7.10. Генератор, управляемый напряжением (ГУН).

Можно выделить несколько основных типов управляемых генераторов, реализуемых интегрально:

•генератор по схеме мультивибратора

•кольцевой генератор

•LC-генератор

7.10.1. Параметры ГУН.

Перечислим основные параметры:

1.Фазовая стабильность: спектральная плотность фазового шума выхода ГУН (рис.7.25) аппроксимируется с хорошей вероятностью теоретическим импульсом Дирака одиночного синусного сигнала, т.е.

178

Выход ГУН

Δω – частота смещения

ω

ω0

1Гц

Рис.7.25 Спектральная характеристика генератора.

2.Область управления (fmin – fmax): ГУН должен охватывать полную частотную полосу применения, включая частоту смещения в режиме синхронизации.

3.Линейность управления: для простоты проектирования ФАПЧ, коэффициент передачи ГУН KVCO должен быть постоянным.

4.Смещение частоты ∂f0 ∂UИП (МГц/В): центральная частота ГУН не должна зависеть от напряжения источника питания.

7.10.2. ГУН, реализованный по схеме мультивибратора.

Многие системы связи используют в своем составе устройства генерирующие сигналы, частота которых зависит от управляющего напряжения. Схемные решения высокочастотных ГУН базируются на схемотехнике мультивибратора (низкочастотные ГУН можно выполнить на основе операционного усилителя с положительной обратной связью).

Типовая схема мультивибратора показана на рис.7.26. Конденсатор С соединяет эмиттеры транзисторов Т1 и Т2 и определяет период колебаний

179

мультивибратора. Для упрощения расчетов воспользуемся следующими предположениями:

•если транзистор Т1 – закрыт, то Т2- открыт;

•базовый ток транзисторов достаточно мал, и им можно пренебречь;

•ток I=2I1 достаточно велик, так, что падение напряжения IR достаточно чтобы открыть диод на основе транзистора Т6;

•переключение транзисторов происходит достаточно быстро, так что период генерирования много больше, чем время переключения каждого из них.

Сучетом этих предположений электрическая схема рис.7.26 может быть упрощена, как это показано на рис.7.27 (транзисторы Т7 Т8 заменены идеальными источниками тока). Будем пока считать, что источники базового тока не подключены. Так как транзистор Т1 закрыт, то ток эмиттера ТЭ4 так же равен нулю, следовательно Т4 – закрыт. Напряжение на базе Т4 равно:

Напряжение эмиттера Т2, в момент заряда конденсатора изменяется линейно, в связи с зарядом от источников тока. Нижнее значение U Э2 составит:

180

Рис.7.26 Типовая схема мультивибратора

Рис.7.27 Упрощенная схема ГУН

UБ2

UDD-UБЭ

UDD-2UБЭ

t

UDD UЭ2

UDD-2UБЭ

UDD-3UБЭ

t

UС

UБЭ

t

-UБЭ

UOUT

UDD

UDD-UБЭ

t

Рис.7.28 Временные диаграммы работы ГУН

181

При этом на противоположной обкладке конденсатора формируется заряд противоположного знака. Транзистор Т1 будет закрыт до тех пор, пока напряжение на его эмиттере не достигнет величины:

тогда транзисторы Т1 и Т4 будут открыты, Т3 и Т2 закроются, а заряды на обкладках конденсатора поменяют знак. Временные диаграммы работы ГУН показаны на рис.7.28.

Период колебаний ГУН на основе мультивибратора определяется временем перезарядки конденсатора источниками тока I1, I2 тогда:

где Q = 2CU бэ - заряд на конденсаторе.

При скважности равной 2 имеем I1 = I2 , тогда из выражения 7.46 получим

T = Q

2 I1

В этом случае частота следования импульсов составит:

Достоинством мультивибраторов с конденсатором в цепи эмиттеров является то, что используются однотипные (n-p-n) транзисторы, которые не входят в насыщение. Это приводит к тому, что частота генерации ГУН, при условии изготовления транзисторов по технологии высокого уровня, достигает

800-900 МГц.

Следует отметить, что указанный диапазон частот ограничен температурной зависимостью UБЭ .

Используя (7.47) можно получить:

182

Температурная чувствительность частоты может быть частично компенсирована путем использования температурно-зависимых источников тока.

Подобная схема может быть реализована и на полевых транзисторах (рис.7.29). Транзисторы М3, М4 имеют длинный канал. Значение фазового шума для мультивибратора на КМОП с f ГУН не более 100 МГц составляет –90 dBc/Гц при смещения частоты на 500 КГц.

Рис.7.29 Реализация мультивибратора на полевых транзисторах: а) n-МОП; б) КМОП.

На рис.7.30 приведены временные диаграммы мультивибратора. Для случая,

когда скважность выходного сигнала равна 2, частота генератора определяется как

183

UOUT

US1

US2

Рис.7.30 Временные диаграммы мультивибратора на n-МОП транзисторах.

7.7.3. Реализация ГУНа на кольцевом генераторе.

Особенности кольцевых генераторов:

-Период импульсов определяется как ТVCO = 2n*tINV где n – число инверторов, tINV – задержка одного инвертора.

-Управление частотой осуществляется изменяющимся током инвертора.

-Высокий фазовый шум приводит к нарушениям переключений.

-При увеличении мощности потребления линейно уменьшается фазовый шум.

-Типичный фазовый шум:

-94 dBc/Гц при 1 МГц смещения для частоты 2.2 ГГц.

-83 dBc/Гц при 100 КГц смещения для частоты 900 МГц

Один из наиболее популярных методов реализации ГУНа на МОПтранзисторах с цифровым выходом это использование кольцевого генератора и дополнительной схемы преобразования напряжения в ток. Кольцевой генератор реализуют на нечетном количестве инвертирующих каскадов с отрицательной обратной связью. Простейший тип кольцевого генератора использует простой цифровой инвертор (рис.7.31). Эта схема имеет отрицательную обратную связь, тем не менее, каждый инвертор имеет фазовый сдвиг приблизительно 900 и частота единичного усиления соответствует фазовому сдвигу 1800. Как

184

результат, схема нестабильна и происходит генерация. Каждые полпериода сигнал передается по кругу с инверсией. Например, если в кольцевом генераторе (рис.7.31) выход первого инвертора изменяется на 1, то это изменение будет передаваться через все пять инверторов за время T/2. Т.е. за время T/2 выход первого инвертора изменится с 1 на 0; затем за время T/2 выход первого инвертора изменится обратно на 1, и так далее. Полагая, что каждый инвертор имеет задержку τINV и что таких инверторов n, получим что

T2 = n τI NV

Рис.7.31 Кольцевой генератор на 5 инверторах.

Задержка инвертора определяется протекающим током ID1, ID4 (рис. 7.32). Поэтому для управления задержкой необходимо обеспечить регулирование тока с помощью преобразователя напряжение – ток (рис.7.33).

Рис.7.32 Схема управления инверторами.

185

I

UCNTRL

Рис.7.33 Преобразователь напряжения в ток.

Простой инвертор имеет напряжение затвора пропорциональное напряжению питания. Таким образом, при увеличении напряжения питания отклонение напряжения затвора увеличивается пропорционально. Т.е. ток в инверторах увеличивается пропорционально квадрату напряжения питания и в результате частота генерации увеличивается пропорционально напряжению питания. Таким образом, недостатком этой схемы является то, что любая помеха (шум) по напряжению питания будет причиной изменения частоты генерации.

Рис.7.34. Реализация кольцевого генератора на дифференциальных инверторах.

В связи с этим в большинстве интегральных кольцевых генераторах используют дифференциальный инвертор. В таком кольцевом генераторе может быть использовано четное количество инверторов, а инверсия достигается простой перестановкой выходов последнего инвертора перед подключением его

186

по обратной связи на вход (рис.7.34). Такая реализация имеет важное преимущество в том, что выход среднего инвертора имеет квадратурный фазовый сдвиг по сравнению с последним инвертором. Этот квадратурный выход полезен для многих телекоммуникационных применений, таких как квадратурный модулятор и некоторые схемы выборки.

Рис.7.36. Полный дифференциальный инвертор с управляемой задержкой.

Например, реализация дифференциального инвертора с управляемой задержкой показанная на рис.7.36 имеет нагрузку, выполненную в виде источников тока управляемых напряжением. Каскодные транзисторы Q3 и Q4 добавлены для увеличения выходного импеданса управляемого источника тока и для большей нечувствительности к шуму по питанию. Полагая токовую нагрузку пропорциональной UCNTRL с коэффициентом передачи KBIAS, мы получим

Тогда задержка каждого инвертора будет пропорциональна частоте единичного усиления этого инвертора. Другими словами

где CL емкость нагрузки инвертора и gm крутизна транзистора. Поскольку