1.4. Автогенераторы на интегральных микросхемах

При построении тактовых генераторов цифровых устройств широко используются автоколебательные схемы на базе операционных усилителей, а также на основе логических элементов. Так, в составе некоторых серий ТТЛ имеются несколько аналого-импульсных схем, управляемых по часто-те мультивибраторов–автогенераторов (например, К531ГГ1), на выходе которых получают напряжение в виде меандра с частотой f_г = 5 10^–4 / C_ , определяемой внешней емкостью конденсатора С_ [4]. Для микросхемы К531ГГ1 диапазон частот выходных колебаний может составлять от 1 Гц до 60 МГц. Дополнительные входы управления позволяют не только плавно изменять частоту АГ в широких пределах, но и осуществлять прерывание последовательности.

П ри высоких требованиях к стабильности частоты f/f < 10^–4 в АГ, выполненных на основе линейных или цифровых интегральных микросхем (ИМС), в качестве колебательной системы используются кварцевые или пьезокерамические резонаторы. Гибридные линейно-импульсные ИС, а также К1533, К1554, К564 обеспечивают подключение внешних элементов обратной связи и позволяют на их основе создать миниатюрные кварцевые АГ, удовлетворяющие требованиям по стабильности частоты, экономич-ности и надежности при частотах до 120 МГц. Так, ИС К531ГГ1 обеспе-чивает получение высокостабильных колебаний при частоте генерации до 85 МГц, а также возможность управления частотой колебаний при исполь-зовании ее в режиме ГУН. В таких АГ резонатор выполняет роль узкопо-лосного фильтра, включенного в цепь положительной обратной свя-зи, и условия самовозбуждения обеспечиваются вблизи частоты его последовательного резонанса.

В тех случаях, когда выходное напряжение должно быть гармони-ческим, можно использовать схему АГ на основе операционного усили-теля, работающего в линейном режиме, и высокодобротную колебательную систему (резонатор) (рис. 1.7). Ограничение амплитуды колебаний и устойчивое самовоз-буждение достигаются благодаря нелинейной отрицательной обратной связи, за счет встречно-параллельного включения диодов Д1, Д2.

Разработано довольно большое число фильтровых схем КГ, построенных с использованием логических ИС. Форма колебаний на выходе таких генераторов близка к прямоугольной. Особенностью КГ, выполненных на логических ИС, является (как и в случае мультивибраторов) необходимость дополнительных элементов, обеспечивающих мягкий режим самовозбуждения, так как в исходном состоянии (0 или 1) коэффициент усиления инверторов близок к нулю, и условие баланса амплитуд в АГ не выполняется. Мягкий режим самовозбуждения в схеме кварцевого АГ на рис. 1.8 обеспечивается выводом рабочей точки инверторов на активный участок переходной характе-ристики с помощью цепи смещения R1, R2, C2. Использо-вание дополнитель-ного инвертора в схеме КГ позволяет обеспечить хоро-шую развязку от нагрузки, высокую крутизну фронтов выходного напряже-ния и устойчивость режима самовоз-буждения. Конден-сатор C1 включается в схему для устранения паразитных высокочастотных колебаний на гармониках резонатора. Рассматриваемая схема КГ, выполненная на ИС серий К1554, К1533, обеспечивает устойчивую работу в широком диапазоне номиналов R₁, R₂ > и С₁ (R₁ = R₂ = = (200...2000) Ом, С₁ = (100...1000) пФ).

Номинальное значение емкости C₂ можно определить исходя из значения частоты _п паразитных колебаний, возникающих в системе при охвате трех инверторов обратной связью через резисторы R1, R2.

При большем петлевом усилении условие баланса фаз выполняется на частотах _п, определяемых величиной задержки _з инвертора: _п  1/_з, где _з = (t_з^1.0 – t_з^0.1)/2; t_з^1.0 и t_з^0.1 – время задержки импульсов переключения. Конденсаторы С1 и С2, обеспечивая подавление паразитных колебаний в схеме кварцевого АГ, должны оказывать слабое влияние на рабочую частоту _г  ₀. Исходя из этого для номиналов R₁ = = R₂ и С₂ можно привести следующие оценки

( 4...5 ) R _{э. кв} < R₁  ;

С₂ > 10 _з /R₁ и С₂  (10...20)/ _г R₁,

где R_э.кв — эквивалентное сопротивление кварца; U ¹_min – минимальное выходное напряжение логической единицы; U_{пор max} – максимальное пороговое напряжение переключения; I_{вх max} – максимальный входной ток.

Как уже отмечалось, частота генерации КГ не совпадает с частотой последовательного резонанса кварца ₀ из-за фазового угла задержки двух инверторов и фазового угла входной цепи .

С уммарный фазовый угол +, где = arctg ₀C₁R_вх (R_вх – входное сопротивление инвертора), должен быть скомпенсирован на частоте генерации фазовым углом кварцевого резонатора = = – – , что приводит к падению фиксирующей способности резонатора  = Q_кв cos 2 и соответствующему падению стабильности частоты. Для уменьшения обычно выбирают С₁  С₂ /(3...5). Введение коррек-тирующих элементов (обычно подстроечных конденсаторов, вклю-чаемых последовательно или параллельно резонатору) в схему кварцевого АГ, позволяет в некоторых пределах изменять частоту колебаний.

При работе на частотах, близких к предельным для данной серии, условия баланса фаз в схеме кварцувого АГ перестают выполняться и в этом случае могут быть использованы обращенные схемы автогенератора на одном инверторе. В схеме, приведенной на рис. 1.9, кварцевый АГ с _г  5 МГц выполнен на инверторе ИС 564ЛН2, в котором режим мягкого самовозбуждения обеспечивается (с учетом технологии ИС) резистором R1 с сопротивлением 5 МОм, а условия баланса фаз за счет введения корректирующих RC-цепей (R₂ = 13 кОм, С₂ = 30 пФ, С₁ = 20 пФ).

30