Всякий раз, когда я ловлю себя на том, что меня постоянно мучает мысль, я знаю, что в конечном итоге мне придется взяться за дело и найти способ положить ей конец.
Читая в EDN Конструкторские идеи, я обращаю внимание на диапазон частот, в котором будет работать схема, если эта характеристика имеет для схемы значение. Мысленно я ставлю схеме низкую оценку, если диапазон рабочих частот мне кажется ограниченным.
Мучившая меня мысль была такой: «Можно ли расширить диапазон рабочих частот Удвоителя частоты с коэффициентом заполнения 50% [1] существенно выше 2.82 МГц?». Если «да», то можно ли это сделать за «разумную» цену? (Разумная цена, конечно, помимо прочего, зависит от области применения, некоторые из которых могут быть довольно субъективными).
Итак, я начал думать и исследовать возможные способы расширения частотного диапазона недавно опубликованной схемы удвоителя частоты прямоугольных импульсов.
Чтобы расширить диапазон рабочих частот, мне нужно было начать с действительно очень быстрого ждущего мультивибратора. Не имея возможности купить подходящее устройство, я сконструировал схему, похожую на вездесущий таймер 555, но с гораздо более быстрыми компонентами. Основными компонентами ждущего мультивибратора являются быстродействующие логические элементы «Исключающее ИЛИ», быстрый компаратор, быстрый триггер и быстрый разрядный транзистор. Эта схема ждущего мультивибратора будет работать на частотах до 50 МГц (а возможно, и выше).
Используемый мною компаратор TLV3501 с rail-to-rail входами и выходом имеет типовую задержку распространения 4.5 нс (6.4 нс максимум) при нагрузке 17 пФ.
Это самый дорогой компонент в моей схеме ($1.62 в партии из 1 тыс. штук), но он быстрый и легкодоступный. Остальные компоненты недорогие, быстрые и широко используются в электронной промышленности. (MMBT2369 – это версия для поверхностного монтажа транзистора 2N2369, появившегося еще в начале 1960-х годов, но он довольно быстр и дешев).
Микросхемы семейства логических элементов 74LVC1Gxx имеют времена задержки порядка 1 нс при работе на нагрузку в несколько пикофарад и могут работать при напряжении питания 5 В (что было моим предпочтением). Я использовал сдвоенный операционный усилитель TLV9052, который имеет бесконечное входное сопротивление (ну, почти) и rail-to-rail входы и выходы. Логический элемент 74LVC1G86 с функцией «Исключающее ИЛИ» удобен тем, что может работать и как инвертор, и как буфер, и я использовал несколько из них.
Краткое описание работы схемы. Отрицательная обратная связь принудительно устанавливает коэффициент заполнения выходных прямоугольных импульсов сверхбыстрого ждущего мультивибратора равным 50%. Для удобства тестирования я добавил 50-омную согласующую нагрузку и буфер/ формирователь на входе и 50-омный драйвер на выходе.
Подробное описание (Рисунок 1). На вход логического элемента «Исключающее ИЛИ» U3 (через U7) подаются прямоугольные импульсы с коэффициентом заполнения 50%, в результате чего на выходе элемента U5 формируется импульс длительностью 2 нс, поступающий на вход /S триггера U2. На выходе /Q триггера устанавливается низкий уровень, выключающий разрядный транзистор Q3, что позволяет начать заряжаться времязадающему конденсатору C4. На коллекторе транзистора Q3 формируется линейно изменяющееся напряжение, которое через резистор R1 подается на инвертирующий вход компаратора U1. Когда линейно нарастающее напряжение достигает уровня опорного напряжения, заданного делителем R4 и R5, выходное напряжение компаратора становится низким. Это сбрасывает триггер, в результате чего разрядный транзистор включается, разряжая времязадающий конденсатор C4, и цикл повторяется.
 |
|
| Рисунок 1. | Отрицательная обратная связь принудительно устанавливает коэффициент заполнения выходных прямоугольных импульсов ждущего мультивибратора равным 50%. |
Зарядный ток в конденсатор C4 поступает от транзистора Q1 и связанных с ним компонентов. Этот ток управляется сигналом отрицательной обратной связи от операционного усилителя U6A, благодаря которой мультивибратор вырабатывает прямоугольные импульсы с коэффициентом заполнения 50%, из которых при фильтрации нижних частот получается постоянное напряжение, равное точно 2.5 В (если напряжение питания равно точно 5 В). Насколько точным будет это напряжение, определяют допуски сопротивлений R18 и R19.
Опорное напряжение, вырабатываемое усилителем U6B и связанными с ним компонентами, устанавливается равным 2.5 В с помощью прецизионных (или подобранных) резисторов R18 и R19. Это опорное напряжение будет отслеживать напряжение питания +5 В, так что при изменении напряжения питания коэффициент заполнения прямоугольных импульсов остается равным 50%. (Выходные логические уровни малонагруженного выхода триггера также отслеживают изменения напряжения питания).
Моделирование, реализация, тестирование и результаты
Для разработки и моделирования схемы я использовал LTspice. Затем с помощью бесплатных инструментов Express PCB я спроектировал и развел двухстороннюю печатную плату с земляным слоем на нижней стороне. Для моделирования выбросов на фронтах импульсов на критических трассах я использовал программу AppCad, которая находится в свободном доступе в Интернете. Последовательно с некоторыми длинными проводниками, несущими быстрые сигналы, я вставил резисторы, чтобы уменьшить выбросы. Все использованные мною компоненты предназначались для поверхностного монтажа, кроме транзисторов Q1 и Q2, входных и выходных разъемов SMA, а также разъемов P1 и P3. (Разъем P2 не использовался). Точки, обозначенные с T1 по T12, являются контрольными точками (металлизированные сквозные отверстия в печатной плате). Собранная печатная плата показана на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Собранная двухсторонняя печатная плата с земляным слоем на нижней стороне. Точки, обозначенные как T1-T12, являются контрольными точками. |
Конденсатор 10 пФ для C4 был оставлен в схеме, когда я проводил тесты с другими значениями емкости C4. Конденсаторы других номиналов были припаяны к печатной плате, но были выведены на разъем, установленный на печатной плате, поэтому я мог выбирать их по отдельности, замыкая те или иные контакты разъема перемычкой. Вот почему все остальные значения емкости C4, использованные в тестах для определения частотного диапазона, имеют дополнительные 10 пФ.
Характеристики схемы были достаточно хорошо предсказаны моделированием в LTspice и AppCad. Зависимость рабочего диапазона частот схемы от емкости конденсатора C4 показана в Таблице 1.
| Таблица 1. | Рабочий диапазон частот схемы при различных значениях емкости конденсатора C4 |
||||||||||
|
|||||||||||
Эта схема расширяет диапазон рабочих частот удвоителя частоты до 36 МГц, что более чем в 10 раз превышает верхний частотный предел исходной схемы.
Ссылка
- Jim McLucas. Удвоитель частоты с коэффициентом заполнения 50%
Купить SN74LVC1G74 на РадиоЛоцман.Цены
