Трехфазный ГУН на основе инверторов

Nexperia 74HCU04 74AHCU04

Иногда может понадобиться недорогой ГУН (генератор, управляемый напряжением), способный в широком диапазоне частот выдавать три синусоидальных выходных сигнала с равными фазовыми сдвигами. Можно использовать следящие фазовые фильтры с одним генератором, но этот метод сложен в реализации и применим в ограниченном диапазоне. Существуют и другие методы, такие как использование цифровых сигнальных процессоров, но они сложны и дороги. Источником вдохновения для создания ГУН на Рисунке 1 послужили выпущенные много лет назад компанией Texas Instruments указания по применению, в которых подробно описывалось использование небуферизованных инверторов семейства U в кольцевых генераторах. Предложенная в этом документе схема состоит только из инверторов. Схема генерирует сигналы, форма которых довольно близка к синусоидальной. Для работы любого кольцевого генератора требуется, чтобы число инверторов в петле обратной связи было нечетным. В схеме будет работать любое нечетное число инверторов. Обратная связь инвертирующая, или отрицательная. Она обеспечивает начальное равновесное смещение, относительно которого изменяются сигналы на затворах.

Кольцевой генератор с трехфазным выходом, работающий в широком диапазоне частот.
Рисунок 1. Кольцевой генератор с трехфазным выходом, работающий в широком диапазоне частот.

Необходимым условием возникновения колебаний является коэффициент усиления в замкнутом контуре больший единицы. Типовое усиление небуферизованных инверторов составляет 15 или около того на постоянном токе и примерно 7 при емкостных нагрузках. Таким образом, общий коэффициент усиления трех инверторов превышает 340, что более чем достаточно для генерации. На высоких частотах инверторы демонстрируют отставание по фазе, связанное с задержкой распространения. Добавление достаточного запаздывания к инверсиям, в конечном счете, превращает полную инверсию в неинверсию. Каждый каскад схемы на Рисунке 1 инвертирует сигнал (180°) и добавляет запаздывание в 60°, что в сумме составляет 240°. Общий фазовый сдвиг, создаваемый тремя каскадами по 240°, составляет 720°. Эта цифра соответствует двум полным проходам фазового круга, то есть, отсутствию инверсии фазы. Неинверсия означает самовозбуждение, которое порождает автоколебания. При использовании инверторов 74ACU04 схема на Рисунке 1 без дополнительных конденсаторов может работать на частотах до десятков мегагерц. Добавление конденсаторов может снизить частоту до приемлемого уровня. Частота равна IDD/3C, где IDD – ток, потребляемый логическими элементами. Для низкочастотных приложений лучше подходят инверторы 74HCU04, поскольку они менее чувствительны к разводке платы.

Схема на Рисунке 1 вырабатывает три выходных сигнала размахом 600 мВ, смещенных на 120°.
Рисунок 2. Схема на Рисунке 1 вырабатывает три выходных сигнала размахом 600 мВ,
смещенных на 120°.

Диоды на Рисунке 1 выполняют две задачи. Во-первых, они ограничивают размах сигнала до 600 мВ, поэтому логические элементы всегда работают в линейной области. Во-вторых, они позволяют логическим элементам работать как распределители тока, попеременно заряжая и разряжая конденсаторы. Уровень, до которого разряжаются конденсаторы, зависит от общего тока IDD, потребляемого инверторами. Этот уровень и, следовательно, частота колебаний пропорциональны рабочему току. Диапазон частот, в котором может работать схема, составляет 1000:1 (ток питания от 10 мкА до 10 мА). Обратите внимание, что в слаботочном низкочастотном конце диапазона схема не в состоянии отдавать большой ток и может нуждаться в буферизации. Форма выходного трехфазного сигнала схемы показана на Рисунке 2. Эта концепция не работает с обычными буферизованными логическими элементами семейств AC или HC из-за того, что они имеют слишком большой коэффициент усиления и, вследствие насыщения, форма сигналов в узлах схемы будет прямоугольной. Элементы типов ACU и HCU малопопулярны, но, тем не менее, доступны для приобретения. Не забудьте заземлить входы оставшихся трех вентилей этих шестиканальных устройств. Плавающие входы запрещены для всех КМОП устройств.

Вычитание векторов двух выходов дает квадратурный сигнал со сдвигом фаз 90°.
Рисунок 3. Вычитание векторов двух выходов дает
квадратурный сигнал со сдвигом фаз 90°.

Схема генерирует три выходных сигнала с равными относительными фазовыми сдвигами. Поскольку выходные сигналы практически синусоидальны, с помощью тригонометрических средств можно легко получить квадратурные выходы (Рисунок 3). Можно подключить дифференциальный усилитель к выходам 120° и 240°. Он обрежет синфазные компоненты с углом 180°. Разность между этими двумя выходами составляет 90°, и она хорошо отрабатывается во всем диапазоне частот генератора. Дифференциальный усилитель того же типа можно использовать для усиления сигнала выхода 0°, чтобы задерживать сигнал на более высоких частотах. В принципе, путем разумной регулировки амплитуд компонентов во внешних цепях можно получить любой набор фазовых углов. Основной недостаток схемы состоит в том, что в ней отсутствует высокодобротный резонатор, поэтому может возникнуть проблема фазовых шумов. Если включить схему в относительно узкополосную петлю ФАПЧ, ее характеристики значительно улучшатся. Возможности этого генератора позволяют ему захватывать широкий диапазон частот.

Материалы по теме

  1. Datasheet Nexperia 74AHCU04
  2. Datasheet Nexperia 74HCU04

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Inverters form three-phase VCO

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

11 предложений от 10 поставщиков
Исполнение: TSSOP-14. Логическая ИС - [TSSOP-14]; Узлов: 6; Функция: НЕ; Особенности: HC; Траб: -55...125 °C
74HCU04PW,118
Nexperia
от 9 ₽
SN74HCU04DR
Texas Instruments
11 ₽
ЗУМ-СМД
Россия
M74HCU04RM13TR
STMicroelectronics
3 ₽
74HCU04D.652
Nexperia
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя