Генератор

Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована для генерирования электрических колебаний в интегральных микросхемах.
Известны генераторы электрических колебаний (см. Авторское свидетельство SU288059 А1. Д.Ф. Зайцев. Генератор электрических колебаний. Опубликовано 03.12.1970, бюллетень №36. Патент RU2707394 С2. В.В. Хозинский, А.И. Верещагин, А.В. Топоров. Генератор. Опубликовано 26.11.2019, бюллетень №33), которые содержат усилители и цепи положительной обратной связи.
Недостатками генераторов являются нестабильности частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления из-за изменений характеристик усилителей при влияниях воздействующих факторов (ВФ): технологических отклонениях параметров элементов, уходе напряжения питания, временном дрейфе, колебаниях температуры и других внешних ВФ.
Известен генератор (см. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. / Под ред. В.Н. Ушакова - СПб.: Питер, 2014, с. 275), содержащий усилитель, вход и выход которого соединены с выходом и входом канала обратной связи, представляющем собой пассивный четырехполюсник.
Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатками прототипа также являются нестабильности частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления из-за изменений характеристик усилителя при влияниях ВФ.
Решаемой задачей является создание генератора с уменьшенными нестабильностями частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления.
Достигаемым техническим результатом является компенсация влияния усилителя прототипа на усилительные и частотные характеристики петли положительной обратной связи генератора, что обеспечивает уменьшение нестабильностей частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем первый усилитель, вход которого соединен с выходом канала обратной связи, представляющего собой пассивный четырехполюсник, дополнительно введены три усилителя и резистор, при этом вход второго усилителя объединен с выходом первого усилителя, входом третьего усилителя и выходом четвертого усилителя, вход которого соединен с выходом второго усилителя и через резистор подключен к общей шине, четыре усилителя и резистор образуют составной усилитель, входом которого служит вход первого усилителя, а выходом - выход третьего усилителя, соединенный со входом канала обратной связи, выходом генератора является выход составного усилителя, при этом в каждой паре усилителей первый - третий и второй - четвертый один из усилителей является инвертирующим, а другой - неинвертирующим, при этом все усилители выполнены в интегральном исполнении, позволяющем обеспечить идентичность параметров однотипных усилителей, а параметры резистора определяют характеристики составного усилителя
Сущность заявляемой полезной модели поясняется фиг. 1, где изображена схема заявляемого генератора.
Генератор содержит первый усилитель 1 (УI), вход которого соединен с выходом канала обратной связи 6 (КОС), вход второго усилителя 2 (УII) объединен с выходом первого усилителя 7, входом третьего усилителя 3 (УIII) и выходом четвертого усилителя 4 (УIУ), вход которого соединен с выходом второго усилителя 2 и через резистор 5 (R) подключен к общей шине, а выход третьего усилителя 3 соединен со входом канала обратной связи 6.
Усилители 1-4 и резистор 5 образуют составной усилитель 7, который охвачен положительной обратной связью по каналу обратной связи 6. Входом составного усилителя 7 служит вход первого усилителя 1, а выходом - выход третьего усилителя 3, соединенный со входом канала обратной связи, выходом генератора является выход составного усилителя 7, при этом в каждой паре усилителей первый 1 - третий 3 и второй 2 - четвертый 4 один из усилителей является инвертирующим, а другой - неинвертирующим, при этом все усилители выполнены в интегральном исполнении, позволяющем обеспечить идентичность параметров однотипных усилителей, а параметры резистора 5 определяют характеристики составного усилителя 7.
Возникновение нарастающих собственных колебаний возможно тогда, когда усилители содержат активные элементы, например, полупроводниковые транзисторы, которые передают в генератор часть энергии от внешних источников. Приведенная на фиг. 1. схема соединений активных усилителей 1-4 обеспечивает взаимную компенсацию их влияний на усилительные и частотные характеристики петли генератора. Канал обратной связи 6 обычно представляет собой пассивный четырехполюсник, определяющий частотные характеристики петли генератора и содержащий резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, кварцевые и пьезорезонаторы.
Устройство работает следующим образом. После начального пуска, например, после включения напряжения питания в составном усилителе 7 устанавливается активный режим по постоянному току, обеспечивающий на генерируемой частоте необходимое усиление сигнала при обходе петли обратной связи. При соблюдении условий самовозбуждения в генераторе возникают нарастающие колебания, начиная с амплитуд флуктуационного уровня, без специального внешнего воздействия. На начальном этапе запуска, пока амплитуда колебаний мала, цепь можно рассматривать как линейную. С ростом амплитуды колебаний элементы генератора переходят в нелинейные режимы. Амплитуда колебаний достигает установившегося значения, и генератор переходит в стационарный режим работы.
Усилитель и канал обратной связи любого генератора описывают комплексными коэффициентами передачи
г
В стационарном режиме работы на генерируемой частоте ω должны выполняться условия баланса амплитуд и баланса фаз
После начального пуска генератора для обеспечения режима самовозбуждения условие (1) переходит в требование к коэффициенту петлевого усиления
Условие (3) должно выполняться с учетом влияний всех ВФ и необходимых технологических запасов.
K
г
β
г
K
г
Изменения характеристик узлов любого генератора влияют на режимы его работы. Например, если ВФ вызвали уход фазового сдвига усилителя Δϕ(ω), то для восстановления баланса фаз (2) должны измениться фазовый сдвиг в канале обратной связи Δϕ(ω)=-Δϕ(ω) и, соответственно, частота генерирования. При уменьшении коэффициента передачи усилителя может быть нарушено требование (3), и генератор не выходит в режим самовозбуждения.
Моделью усилителей 1-4 заявляемого генератора и усилителя прототипа, реализованных, например, на КМОП-каскадах, может служить зависимый источник тока, управляемый напряжением. Его функционирование определяют следующие элементы матрицы малосигнальных проводимостей:
Входом составного усилителя, работающего в петле заявляемого генератора, служит вход первого усилителя 7, а выходом - выход третьего усилителя 3. Используя метод узловых напряжений и формулу (4), с учетом режимов определения Y-параметров находим элементы матрицы
21-i
R
где , - ток короткого замыкания на выходе третьего усилителя 3;  - напряжение на входе первого усилителя 7; Y - проводимость прямой передачи i-го усилителя Уi, i=1, 2, 3, 4; Y - проводимость резистора 5.
21-1
21-2
21-3
21-4
В каждой паре усилителей УI-УIII и УII-УIV один из усилителей является инвертирующим, а другой - неинвертирующим. Интегральное исполнение генератора позволяет обеспечить идентичность параметров однотипных усилителей, например, получить Y=Y и Y=Yкак при номинальных условиях, так и при влияниях ВФ. Учитывая полученные равенства, формулу (5) можно упростить:
Таким образом, характеристики составного усилителя, который включен в петлю заявляемого генератора, определяет резистор 5, а влияния усилителей УI-УIV взаимно скомпенсированы.
21-1
21-2,…
Можно применить не одинаковые однотипные усилители, а выполнить масштабирование их параметров Y=тY, например, используя параллельное соединение МОП-транзисторов с каналами одного типа проводимости, пропорционально изменяя ширины каналов и т.п.
K
г
K
г
Технологии изготовления интегральных микросхем позволяют обеспечить лучшие частотные свойства пассивных элементов, например, пленочных резисторов, по сравнению с активными, например, с полупроводниковыми транзисторами. Поэтому вклад фазового сдвига ϕ(ω) в баланс фаз (2) для составного усилителя ниже прототипа. Для резисторов по сравнению с активными элементами характерен также меньший уход параметров при влияниях ВФ: технологических отклонениях, колебаниях напряжения питания, изменениях температуры и т.д. Поэтому уменьшаются нестабильности фазового сдвига ϕ(ω) и модуля коэффициента усиления составного усилителя, т.е. частоты генерирования и коэффициента петлевого усиления.
Для используемой схемно-технологической базы с увеличением коэффициента петлевого усиления обычно растут нелинейные искажения сигнала в стационарном режиме и соответствующие отклонения частоты генерирования. Применение схемы заявляемого генератора позволяет снизить отклонения петлевого усиления при влияниях ВФ, поэтому можно уменьшить его номинальное значение, не нарушая условие (3). При этом в стационарном режиме снижаются нелинейные искажения, форма сигнала приближается к синусоидальной, и уменьшается соответствующая составляющая нестабильности частоты генерирования.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет компенсировать влияние усилителя прототипа на усилительные и частотные характеристики петли положительной обратной связи генератора, что обеспечивает уменьшение нестабильностей частоты генерирования электрических колебаний и коэффициента петлевого усиления.