УПРАВЛЯЕМЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ
CONTROLLED CIRCULAR PULSE GENERATOR

Изобретение относится к электронным схемам и может быть использовано для генерирования множества смещенных по фазе импульсов с управляемой частотой в системах синхронизации и преобразования сигналов. Применение кольцевого генератора импульсов с многими выходами позволяет уменьшить шаг дискретизации времени в устройствах обработки сигналов и преобразователях время-код до значений, меньших тактового периода, то есть осуществить его фазовую интерполяцию.
Известны кольцевые генераторы импульсов в виде замкнутой цепи нечетного числа инвертирующих каскадов (US 3395362, 30.07.1968 [1], US 3428913, 18.02.1969 [2], US 4517532, 14.05.1985 [3]). Частота импульсов определяется количеством каскадов в кольце и задержкой переключения каждого из них, которая в свою очередь зависит от тока переключения и значения емкости нагрузки. Известные устройства, ориентированные на интегральное исполнение, отличаются простотой конструкции и не требуют внешних времязадающих элементов. Однако они не допускают регулирования частоты генерируемых импульсов, необходимого для компенсации ее технологического разброса и обеспечения фазовой синхронизации генератора.
Известны также кольцевые генераторы импульсов с электронной перестройкой частоты, в которых каждый инвертирующий каскад снабжен дополнительным входом, связанным с общим зажимом управляющего напряжения, конкретное исполнение схемы инвертирующего каскада определяется назначением генератора (US 3931588, 06.01.1976 [4], US 5963102, 5.10.1999 [5], RU 2397603, 20.08.2010 [6]). Указанные аналоги обеспечивают широкодиапазонную перестройку частоты.
D
В то же время шаг дискретизации времени, достигаемый в традиционном кольцевом генераторе импульсов, ограничен временем t задержки его каскада. Поскольку частота генерируемых импульсов также связана с временем задержки каскада как
где N - число каскадов генератора, которое не может быть выбрано произвольно малым ввиду необходимости обеспечения баланса фаз, то и максимальная генерируемая частота также ограничена.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный за прототип кольцевой генератор импульсов по патенту US 6075419, 13.06.2000 [7]. Схема прототипа состоит из замкнутой в кольцо цепи из нечетного числа основных инверторов и такого же числа дополнительных управляемых инверторов, через которые образованы субсвязи между выходами i-го и (i-3)-го основных инверторов в кольце. При этом управляющие входы дополнительных инверторов подключены к общему управляющему входу кольцевого генератора. Устройство в целом выполняется по КМОП-технологии, допускающей объединение выходов инверторов без создания опасного режима благодаря наличию ограничивающих выходные токи сопротивлений каналов МОП-транзисторов.
За счет введения субсвязей через управляемые инверторы в устройстве-прототипе достигается повышенная частота генерирования импульсов и обеспечивается ее электронная перестройка в пределах октавы. В то же время структура устройства сложна, а диапазон электронной перестройки частоты недостаточен для применения его в качестве ядра устройства фазовой синхронизации или цифрового синтезатора частоты. Кроме того, интегральное исполнение устройства сопряжено с необходимостью компенсации значительного технологического разброса задержек инверторов, после чего оставшегося ресурса перестройки может не хватить на функциональные цели. Этот недостаток связан с тем, что регулирование задержек в прототипе осуществляется лишь по дополнительным инверторам субсвязей, а задержки инверторов основного кольца не изменяются.
Задачей изобретения является расширение диапазона электронной перестройки частоты генерируемых импульсов и упрощение структуры устройства.
Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения общее количество каскадов кольцевого генератора импульсов, состоящего из объединенной в кольцо цепи инвертирующих каскадов, их число выбирается кратным трем, при этом каждый i-й каскад выполняется в виде управляемого элемента фазовой интерполяции, у которого первый вход соединен с выходом предшествующего каскада, а второй вход - с выходом (i-3)-го каскада, а входы управления всех элементов фазовой интерполяции соединены с общим зажимом управляющего напряжения.
На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого управляемого кольцевого генератора импульсов, на фиг.2 показан вариант схемы составляющего каскад генератора управляемого элемента фазовой интерполяции, на фиг.3 представлен вариант исполнения управляемого инвертора, входящего в состав управляемого элемента фазовой интерполяции.
Управляемый кольцевой генератор импульсов (фиг.1) состоит из нечетного числа соединенных в кольцо управляемых элементов 1…9 фазовой интерполяции, каждый из которых имеет по два сигнальных входа и один управляющий вход, подключенный к общему зажиму 10 управляющего напряжения. Первый сигнальный вход каждого i-го управляемого элемента фазовой интерполяции подключен к выходу (i-1)-го управляемого элемента фазовой интерполяции, что обеспечивает замыкание каскадов генератора в кольцо. Второй сигнальный вход каждого i-го управляемого элемента фазовой интерполяции подключен к выходу (i-3)-го управляемого элемента фазовой интерполяции для образования дополнительных субсвязей в генераторе.
Представленная на фиг.2 схема входящего в кольцевой генератор импульсов управляемого элемента 1…9 фазовой интерполяции содержит первый 11 и второй 12 управляемые инверторы, сигнальные входы которых служат сигнальными входами 13 и 14 управляемого элемента фазовой интерполяции, а объединенные выходы - выходом 15 управляемого элемента фазовой интерполяции. Каждый управляемый инвертор 11, 12 снабжен управляющим входом, при этом управляющий вход первого управляемого инвертора 11 присоединен к управляющему входу 16 управляемого элемента фазовой интерполяции непосредственно, а управляющий вход второго управляемого инвертора 12 - через аналоговый инвертор, выполненный в виде операционного усилителя 17 с соответствующими входным резистором 18 и резистором обратной связи 19. Неинвертирующий вход операционного усилителя 16 подключен к входу 20 опорного напряжения, играющего роль «операционной земли». Для изображения управляемых элементов 1…9 фазовой интерполяции используется условное графическое изображение 21.
Управляемые инверторы 11, 12 могут быть выполнены по схеме, показанной на фиг.3 и включающей КМОП-инвертор на паре комплементарных МОП-транзисторов 21, 22 с каналами противоположного типа проводимости, у которых объединенные затворы служат сигнальным входом 23 управляемого инвертора, а объединенные стоки - его выходом 24. Истоки транзисторов КМОП-инвертора подключены к соответствующим шинам 25, 26 питания посредством связанной с управляющим входом 27 схемы «токового зеркала» в составе транзисторов 28…31. Известная из литературы схема «токового зеркала» (см., например, книгу Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - М.: Мир. - 1982. - с.43, рис.4.29 [8], вариант на биполярных транзисторах) обеспечивает по абсолютному значению токов всех транзисторов 28…31, при этом значение токов стока указанных транзисторов устанавливается напряжением на управляющем входе 27 схемы. Управляемый инвертор нагружен на емкость 32. Условное графическое обозначение управляемого инвертора на фиг.3 представлено цифровой позицией 33.
Для уяснения принципа действия управляемого кольцевого генератора импульсов рассмотрим сначала порядок работы его составных частей.
Время задержки импульса в схеме управляемого инвертора (фиг.3) определяется его выходным током, которым перезаряжается емкость 32 нагрузки. Упомянутый выходной ток управляемого инвертора устанавливается уровнем напряжения на управляющем входе 27, с ростом напряжения время задержки сокращается. Такая схема способна обеспечить более чем декадный диапазон перестройки задержки [9].
X
Y
При соединении пары описанных управляемых инверторов в схему управляемого элемента фазовой интерполяции (фиг.2) временная позиция задержанного импульса на выходе 15 зависит от временных позиций импульсов на сигнальных входах 13 и 14, а также от удельных весов задержек управляемых инверторов 11 и 12, с которыми они участвуют в формировании импульса на общем выходе 15. Если обозначить временные позиции фронтов импульсов на сигнальных входах 13 и 14 как t и t, то временную позицию фронта импульса на выходе 15 можно определить как [10]
<mrow><mrow><mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>y</mi></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><mi>E</mi><mo>∈</mo><mn>0</mn><mo>…</mo><mn>1</mn></mrow></mrow></mrow>
y
D0
y
где
- коэффициент, определяющий «веса» опорных сигналов, U - напряжение на управляющем входе 16, Е - напряжение питания управляемых инверторов 11 и 12, t - минимальное время задержки управляемого инвертора. В зависимости от значения U позиция фронта (спада) выходного импульса может изменяться. Таким образом осуществляется регулирование позиции выходного импульса, при котором задержка фронта импульса на выходе 15 отсчитывается либо от спада импульса на входе 13 (α=1), либо от спада импульса на входе 14 (α=0), либо от регулируемой «оси» интерполяции, располагающейся между позициями спадов входных импульсов (0<α<1). Необходимым условием интерполяции является перекрытие во времени фронтов (спадов) входных сигналов.
D
Необходимым условием возникновения и поддержания колебаний в схеме управляемого кольцевого генератора импульсов является нечетное число образующих кольцо инвертирующих каскадов, например девять (фиг.1). Частота генерируемых импульсов в соответствии с выражением (1) зависит от времени задержки одного каскада t и их общего количества N, тот и другой параметры в предлагаемом устройстве могут изменяться под воздействием управляющего напряжения на зажиме 10, которое определяет коэффициент α в (1).
При управляющем воздействии α=1 в соответствии с (1) замкнуто основное кольцо генератора, состоящее из девяти управляемых элементов 1…9 фазовой интерполяции. Так как удельный вес вторых сигнальных входов элементов фазовой интерполяции, задействованных в субсвязях, равен нулю, то эти связи, по существу отсутствуют и частота согласно (1)
По мере изменения управляющего воздействия α→0 и элемент фазовой интерполяции осуществляет взвешенное суммирование своих входных импульсов, при этом его задержка отсчитывается от оси интерполяции и сокращается. Частота импульсов возрастает и достигает максимума при α=0, когда связи между каскадами по основному кольцу отключаются, и образуются три формально независимых генератора из элементов соответственно 1, 4, 7, элементов 2, 5, 8 и элементов 3, 6, 9, каждый из которых генерирует импульсы с частотой
Таким образом, диапазон плавного регулирования частоты колебаний в схеме оценивается отношением 3:1. Если предположить, что период колебаний линейно связан со значением коэффициента управления
то модуляционная характеристика генератора может быть записана как
Литература
1. Controllable gated pulse signal providing circuit. US 3395362, 30.07.1968 / Sutherland J.F.
2. Transistor logic oscillator. US 3428913, 18.02.1969 / Pechoucek M.
3. Programmable ring oscillator. US 4517532, 14.05.1985 /Neidorff R.A.
4. Voltage controlled oscillator utilizing field effect transistors. US 3931588, 06.01.1976 / Gehweiler W.F.
5. Voltage controlled oscillator having a ring oscillator circuit. US 5963102, 5.10.1999 / Pang D.S.
6. Широкодиапазонный кольцевой генератор, управляемый напряжением. RU 2397603, 20.08.2010/Зайцев А.А.
7. High speed wide tuning range multi-phase output ring oscillator. US 6075419, 13.06.2000 / Sun L., Kwasniewski T.
8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - M.: Мир, 1982.
9. Чулков В.А. Интерполирующие устройства синхронизации и преобразователи информации. - M.: Физматлит, 2010.