В.Я. Грошев
От классической схемы генератора Пирса описываемое устройство (рис.1) внешне отличается только тем, что в качестве усилительного элемента в нем используется не инвертор, а двухвходовый логический элемент КМОП типа. Однако это незначительное отличие определяет не только принципиально другой характер функционирования генератора, но и обеспечивает ему существенные преимущества.
Описываемое устройство реализуется не на специальном инверторе с линейной амплитудно-фазовой характеристикой, какой необходим для генератора Пирса. В данном случае используются обычные многокаскадные инверторы, а именно так выполнены стандартные логические элементы И-НЕ (ИЛИ-НЕ) быстродействующей КМОП логики. Наличие дополнительных входов у логических элементов такого типа является исключительно полезным свойством, т.к. позволяет отключать генератор логическим уровнем для экономии потребляемой им энергии. Амплитудно-частотная характеристика таких логических элементов нелинейна и обеспечить их устойчивость при соединении выхода с входом через цепь обратной связи обычно невозможно, а именно отсутствие самовозбуждения усилительного элемента является важным условием устойчивой работы генератора Пирса. Поэтому делать генераторы Пирса на подобных логических элементах не советуем – такие схемы чаще всего не работают вовсе или работают крайне нестабильно. Еще хуже работают генераторы на двух КМОП логических элементах с несколькими входами, использующие последовательный резонанс резонатора.
В описываемом же устройстве самовозбуждение схемы без резонатора является полезным, причем при высокой выходной частоте результирующая АЧХ генератора и частота самовозбуждения представленной на рис.2 схемы определяется как собственной АЧХ логического элемента, так и цепью ООС. Частоту генерации такого генератора в достаточно широких пределах можно регулировать, изменяя, например, постоянную времени цепочки R2, C2. Зачастую конденсатор С1 оказывается ненужным, так как его функцию выполняет входная емкость самого логического элемента. Если генератор должен быть низкочастотным, то схема несколько усложняется из-за отсутствия собственного сдвига фазы у высокочастотных логических элементов на низких частотах. В таком случае для обеспечения дополнительного сдвига фазы в цепи ООС может потребоваться дополнительная RC-цепочка.
Если теперь в схеме рис. 2 параллельно R1 включить резонатор с рабочей частотой, соизмеримой с частотой самовозбуждения генератора, то он начинает выполнять функцию синхронизации колебаний генератора на собственной резонансной частоте. Убедиться в этом нетрудно – достаточно удалить резонатор из схемы, которая будет по-прежнему работать, но частота генерации изменится. Синхронизация обеспечивается током, проходящим через резонатор, и суммирующимся с током через резистор R1. В низкочастотных вариантах генератора сопротивление резистора R1 должно быть достаточно большим, чтобы не шунтировать резонатор.
.png)
Главным преимуществом обсуждаемого генератора является значительно меньшая задержка выхода в стационарный режим генерации по сравнению с генератором Пирса. Задержка проявляется лишь во времени установления точного значения выходной частоты, равной собственной частоте резонатора, и во времени установления стационарной формы колебаний как после подачи питания, так и после подачи разрешающего логического уровня на управляющий вход логического элемента. Условная форма нескольких периодов генерируемого напряжения с момента подачи разрешающего сигнала показана на рис. 3. На высоких частотах и при использовании керамических резонаторов задержка может вообще отсутствовать. На низких же частотах и при использовании кварцевых резонаторов генерируемая частота может установиться равной собственной частоте резонатора через десятки миллисекунд, однако номиналы элементов схемы можно подобрать так, что тактовая частота сразу после переключения будет приблизительно равна собственной резонансной частоте используемого резонатора. Важным достоинством является также то, что на выходе логического элемента формируется не синусоида, а импульсы с достаточной прямоугольностью, что исключает необходимость в дополнительных каскадах для формирования импульсов. Важным и очень полезным свойством описываемого генератора является также жесткая привязка фазы генерируемого напряжения к фазе импульса управления в высокочастотных вариантах устройства, что можно использовать, например, при декодировании сигналов цветного телевидения.
ВЧ генераторы такого типа идеально подходит для тактирования простых эффективных микроконтроллеров, используемых в устройствах с переключаемой рабочей частотой. Возможный вариант схемы двухчастотного генератора для тактирования микроконтроллера SX52BD, используемый в наших разработках, представлен на рис. 4.
Емкость конденсатора С1 следует выбирать минимально возможной, т.к. она определяет время включения генератора после подачи разрешающего уровня на вход логического элемента. На рис. 4 эта емкость представлена конденсатором, встроенным в резонатор (~10 пФ). В низкочастотных вариантах генератора емкости С1, С2 могут составлять сотни пикофарад. Например, при частоте кварцевого резонатора 100 кГц их емкость составила 390 и 1200 пФ соответственно, а кроме этого потребовалась дополнительная RC-цепочка с номиналами 1 кОм и 2000 пФ, включенная на выходе логического элемента 74HC00. В принципе можно ограничиться только конденсатором, однако при этом ухудшается форма выходного напряжения и увеличивается потребляемая мощность.
В качестве резонатора в схеме рис. 4 используются керамические резонаторы типа ceralock производства фирмы Murata с рабочей частотой 30 МГц. Аналогичные результаты получаются при использовании кварцевого резонатора на ту же частоту. Если такая схема коммутируется внешним сигналом, то это позволяет мгновенно обрабатывать быстропротекающие процессы без излишних задержек и дополнительного потребления мощности, что не реализуемо ни на одном контроллере нового поколения с многочисленными схемами внутреннего тактирования при использовании их встроенных ресурсов.
г. Томск
