Генератор частотно-манипулированных прямоугольных импульсов

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в радиопередающих устройствах, в измерительной технике в качестве источника прямоугольных импульсов, манипулированных по частоте.
Наиболее близким к заявленному генератору частотно-манипулированных прямоугольных импульсов является известный генератор частотно-манипулированных прямоугольных импульсов - патент на полезную модель RU 160598 U1. Известный генератор частотно-манипулированных прямоугольных импульсов содержит логический элемент (ЛЭ) 2И-НЕ, МОП-транзистор с индуцированным каналом n-типа, генератор манипулирующего напряжения, П-образный RC-фильтр, буферный логический элемент, состоящий из первого логического элемента НЕ и второго логического элемента НЕ.
«Мировое производство полупроводниковых изделий в своей подавляющей части основано на конструктивно-технологическом базисе КМОП-приборов» - Г.Я. Красников. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. В 2-х частях. Часть 1 [стр. 7]. М.: Техносфера, 2002. Между тем, в патенте на полезную модель RU 160598 U1 «Генератор частотно-манипулированных прямоугольных импульсов» представлена конструкция генератора на логическом элементе 2И-НЕ (1) частотно-манипулированных прямоугольных импульсов, которая работоспособна лишь в том случае, когда в конструкции генератора используется только конкретная разновидность МОП-транзисторов, а именно nМОП-транзистор с индуцированным каналом. Это является недостатком описанного в патенте на полезную модель RU 160598 U1 генератора на логическом элементе 2И-НЕ (1) частотно-манипулированных прямоугольных импульсов. nМОП-транзисторы с индуцированным каналом составляют только половину множества МОП-транзисторов с индуцированным каналом. Вторую половину типов МОП-транзисторов с индуцированным каналом составляют рМОП транзисторы. Генератор на логическом элементе 2И-НЕ частотно-манипулированных прямоугольных импульсов, представленный в патенте на полезную модель RU 160598 U1, не пригоден для применения в его конструкции рМОП-транзисторов. Поэтому возникает потребность расширения арсенала технических средств конструкции генератора на логическом элементе 2И-НЕ частотно-манипулированных прямоугольных импульсов.
Заявленная полезная модель «Генератор частотно-манипулированных прямоугольных импульсов» направлена на расширение технических средств, которые позволяют использовать рМОП-транзисторы в конструкции генератора на логическом элементе 2И-НЕ частотно-манипулированных прямоугольных импульсов.
Достигаемый технический результат - расширение арсенала технических средств конструкции генератора на логическом элементе 2И-НЕ (1) частотно-манипулированных прямоугольных импульсов.
1
0
1
0
1
0
Это достигается тем, что введен МОП транзистор (5) с индуцированным каналом р-типа, подложка рМОП транзистора (5) соединена с потенциальным выводом источника питания генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов, выход логического элемента 2И-НЕ (1) соединен с истоком рМОП-транзистора (5), второй вход логического элемента 2И-НЕ (1) соединен с истоком рМОП-транзистора (5), второй вход логического элемента 2И-НЕ соединен со стоком рМОП-транзистора, потенциальный выход генератора (4) манипулирующего напряжения присоединен к затвору рМОП-транзистора (5), при скачкообразных изменениях, перепадах 0→1 и 1→0 управляющего напряжения генерируется без разрыва фазы сигнала последовательность частотно-манипулированных прямоугольных импульсов с частотами f и f соответственно, при этом f<f, генерация прямоугольных импульсов с частотами f и f обусловлена резкими изменениями сопротивления канала рМОП-транзистора, приводящими к значительному изменению сопротивления цепи обратной связи логического элемента 2И-НЕ, а значит, и времени прохождения сигнала с выхода логического элемента 2И-НЕ на его второй вход при поступлении на затвор рМОП-транзистора каждого из перепадов 0→1 и 1→0 соответственно напряжения управляющего генератора.
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявленного генератора на логическом элементе 2И-НЕ (1) частотно-манипулированных прямоугольных импульсов. Она содержит логический элемент 2И-НЕ (1), генератор (4) манипулирующего, управляющего напряжения, П-образный RC-фильтр, состоящий из первого (6) и второго (8) конденсаторов постоянной емкости и резистора (7) постоянного сопротивления, буферный логический элемент, состоящий из первого (2) логического элемента НЕ и второго (3) логического элемента НЕ. Первый вход логического элемента 2И-НЕ (1) подключен к потенциальному выходу источника питания устройства, выход логического элемента 2И-НЕ (1) соединен с входом буферного логического элемента, при этом выход первого (2) логического элемента НЕ соединен с входом второго (3) логического элемента НЕ, выход второго (3) логического элемента НЕ является выходом генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов, выход логического элемента 2И-НЕ (1) соединен также с истоком МОП транзистора (5) с каналом р-типа, с первым выводом резистора (7) и первым выводом второго конденсатора (8), второй вход логического элемента 2И-НЕ (1) соединен со стоком рМОП-транзистора (5), со вторым выводом резистора (7) и первым выводом первого конденсатора (6), вторые выводы конденсаторов (6) и (8) соединены с общей шиной источника питания устройства, потенциальный выход генератора модулирующего напряжения (4) присоединен к затвору рМОП-транзистора. Подложка рМОП-транзистора соединена с потенциальным выводом источника питания генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов.
На фиг. 2,а представлена осциллограмма выходного сигнала генератора (4) манипулирующего напряжения, на фиг. 2,б - осциллограмма выходного сигнала генератора на логическом элементе 2И-НЕ (1) частотно-манипулированных прямоугольных импульсов с рМОП-транзистором (5) в конструкции генератора.
vT
вх
vT
насыщения
vT
запрет
Генератор частотно- манипулированных прямоугольных импульсов работает следующим образом. Сопротивление R МОП-транзистора с индуцированным каналом в зависимости от управляющего напряжения U может принимать два значения: R=R→0, если МОП-транзистор включен (находится в режиме насыщения), и R=R→∞, если МОП-транзистор выключен (заперт) [Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника [стр. 410]. / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Радио и связь, 1996. - 768 с.].
экв
Логический элемент 2И-НЕ (1) генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов (фиг. 1) в цепи обратной связи содержит, в частности, сопротивление R, образованное параллельно соединенными выходом (исток-сток) МОП-транзистора с каналом р-типа (5) и резистором (7) постоянного сопротивления.
vT
насыщения
экв
0экв
ген
0
0
При фиксированном напряжении на затворе рМОП-транзистора, например при напряжении на выходе управляющего генератора (4), равном напряжению логического нуля, рМОП транзистор включен (находится в режиме насыщения), поэтому R=R→0. В результате сопротивление R=R представляет собой фиксированную величину, близкую к нулю. Процесс генерации прямоугольных импульсов характеризуется постоянной частотой f=f. Генерация прямоугольных импульсов с частотой f будет продолжаться в течение времени, которое характеризуется низким уровнем (уровнем логического нуля) управляющего сигнала на затворе рМОП-транзистора. Частотная манипуляция последовательности прямоугольных импульсов отсутствует.
0
Переключение управляющего сигнала с низкого уровня (уровня логического нуля) на высокий уровень (уровень логической единицы) прекращает генерацию элементом 2И-НЕ импульсов с частотой следования f.
vT
заперт
экв
1экв
1экв
1экв
ген
1
1
0
Для реализации частотной манипуляции генерируемой последовательности прямоугольных импульсов генератором на логическом элементе 2И-НЕ с рМОП-транзистором в конструкции генератора, используя генератор (4) управляющего напряжения, изменим скачком 0→1 напряжение на затворе рМОП-транзистора. В результате рМОП-транзистор выключен (заперт), поэтому R=R→∞. Поэтому эквивалентное сопротивление R=R скачком возрастет. Пределом роста сопротивления R является величина сопротивления резистора (7). За счет роста эквивалентного сопротивления R увеличится время задержки прохождения сигнала с выхода логического элемента 2И-НЕ на его второй вход. Это влечет за собой снижение частоты генерации f=f. Таким образом, частоты генерации f и f связаны соотношением
1
Генерация прямоугольных импульсов с частотой f будет продолжаться в течение времени, которое характеризуется высоким уровнем (уровнем логической единицы) управляющего сигнала на затворе рМОП-транзистора.
1
экв
0экв.
ген
0
Переключение управляющего сигнала с высокого уровня (уровень логической единицы) на низкий уровень (уровень логического нуля) прекращает генерацию элементом 2И-НЕ импульсов с частотой следования f. При очередном скачкообразном 1→0 изменении напряжения на затворе рМОП-транзистора сопротивление канала рМОП-транзистора резко уменьшится, поэтому скачком снизится величина эквивалентного сопротивления R=R Все это приведет к резкому увеличению частоты генерации импульсной последовательности прямоугольных импульсов. Частота генерации снова принимает значение f=f.
0
1
При скачкообразных изменениях, перепадах 1→0 и 0→1 управляющего напряжения генерируется без разрыва фазы сигнала последовательность частотно-манипулированных прямоугольных импульсов с частотами f и f соответственно.
0
1
1
0
В итоге получена частотно-манипулированная последовательность прямоугольных импульсов. Переход с частоты f генерации прямоугольных импульсов на частоту генерации f (как и далее переход с частоты генерации f на частоту генерации f) происходит без разрыва фазы сигнала генерируемой прямоугольной импульсной последовательности.
Проведено моделирование генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов на логическом элементе 2И-НЕ с рМОП-транзистором в конструкции генератора (фиг. 2). При моделировании использованы: рМОП-транзистор с индуцированным каналом, длина канала 1=0.18u, ширина канала w=0.22u; параметры П-образного фильтра: конденсатор (6) 2pF, конденсатор (8) 2pF, резистор (7) 5.1kΩ; типы логических элементов: ЛЭ(1) 2И-НЕ→74F00D, ЛЭ(2) НЕ→74F04N, ЛЭ(3) НЕ→74F04N; +VCC→5V; максимальное напряжение генератора манипулирующего напряжения →5V.
1
0
0
1
1
0
Временная диаграмма выходного сигнала генератора (фиг. 2, б) иллюстрирует процесс генерации на логическом элементе 2И-НЕ (1) с рМОП транзистором в конструкции генератора частотно-манипулированной последовательности прямоугольных импульсов. При этом перепад напряжения 0→1 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f, а перепад напряжения 1→0 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f. Частоты генерации f, f прямоугольных импульсов согласуются с неравенством (1) f<f.
Осуществление частотной манипуляции последовательности прямоугольных импульсов обусловлено резким изменением сопротивления канала рМОП-транзистора (5) под действием управляющего напряжения генератора (4), воздействующего на затвор рМОП-транзистора (5).