ГЕНЕРАТОР С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ УСИЛЕНИЯ
GENERATOR WITH AUTOMATIC AMPLIFICATION ADJUSTMENT

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007, Б.И. №17), содержащий первый и второй инвертирующие усилители, каждый из которых включает в себя нечетное число комплементарных пар КМОП транзисторов, истоки которых подключены к соответствующим шинам питания, а затворы первых комплементарных пар объединены между собой и являются входами инвертирующих усилителей, выходами которых являются объединенные стоки последней комплементарной пары каждого инвертирующего усилителя, мостовую схему, первым плечом которой является первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединен через первый резистор, вторым плечом является второй резистор, первый вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя, третьим плечом является первый конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом второго резистора и входом второго инвертирующего усилителя, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом кварцевого резонатора, являющегося четвертым плечом мостовой схемы, при этом второй вывод кварцевого резонатора соединен со входом первого инвертирующего усилителя.
Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является изменение частоты генератора из-за изменения амплитуды первой гармоники напряжения возбуждения частотозадающего резонатора, обусловленного изменением формы выходных сигналов при изменении режима работы оконечного каскада усилителя под действием внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранение и проч.).
Решаемой задачей является создание генератора с кварцевым частотозадающим резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации (при значении эквивалентного сопротивления резонатора до 1 МОм).
Достигаемым техническим результатом является стабилизация формы и амплитуды выходных сигналов в изменяющихся условиях эксплуатации и соответственно повышение стабильности частоты генерации.
Для достижения технического результата в генераторе с автоматической регулировкой усиления, содержащем первый и второй инвертирующие усилители, каждый из которых включает в себя нечетное число комплементарных пар КМОП-транзисторов, истоки которых подключены к соответствующим шинам питания, а затворы первых комплементарных пар объединены между собой и являются входами инвертирующих усилителей, выходами которых являются объединенные стоки последней нечетной комплементарной пары каждого инвертирующего усилителя, мостовую схему, первым плечом которой является первый инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединен через первый резистор, вторым плечом является второй резистор, первый вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя, третьим плечом является первый конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом второго резистора и входом второго инвертирующего усилителя, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом кварцевого резонатора, являющегося четвертым плечом мостовой схемы, при этом второй вывод кварцевого резонатора соединен со входом первого инвертирующего усилителя, новым является то, что дополнительно введены третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы, второй, третий, четвертый конденсаторы, диод, третий инвертирующий усилитель, выполненный на комплементарной паре КМОП-транзисторов, затворы которых объединены между собой и являются входом третьего инвертирующего усилителя, выходом которого являются объединенные стоки транзисторов, два "p-" или "n"-канальных КМОП-транзистора управления, истоки и затворы которых объединены между собой, при этом сток одного из транзисторов управления соединен через второй конденсатор с общей точкой и с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого резистора, сток другого транзистора управления соединен через пятый резистор с первыми выводами шестого резистора и кварцевого резонатора, выход второго инвертирующего усилителя является выходом генератора и соединен со вторым выводом шестого резистора и через последовательно соединенные четвертый резистор и диод со входом третьего инвертирующего усилителя, с первыми выводами седьмого резистора и третьего конденсатора, вторые выводы которых соединены с выходом третьего инвертирующего усилителя и через восьмой резистор с затворами транзисторов управления, с первым выводом девятого резистора, второй вывод которого через четвертый конденсатор соединен с общей точкой, при этом истоки КМОП-транзисторов третьего инвертирующего усилителя соединены с соответствующими шинами питания.
Стабилизация формы и амплитуды напряжения возбуждения колебаний частотозадающего резонатора в предлагаемом генераторе осуществляется включением в цепь контура положительной обратной связи (выход второго инвертирующего усилителя, мостовая схема с частотозадающим резонатором, вход второго усилителя) регулирующего звена, коэффициент передачи по напряжению которого может изменяться под воздействием управляющего сигнала, поступающего с устройства управления.
При этом выходной сигнал устройства управления, подаваемый на вход регулирующего звена определяется значением амплитуды напряжения на выходе второго инвертирующего усилителя, поступающего на вход устройства управления.
На фигуре 1 изображена функциональная схема заявляемого устройства.
На фигуре 2 изображен вариант инвертирующего усилителя с использованием трех последовательно соединенных комплементарных пар КМОП-транзисторов.
На фигуре 3 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.
Рассмотрим случай, когда в предлагаемом генераторе используются инвертирующие усилители, содержащие по одной комплементарной паре КМОП-транзисторов (см. фиг.1).
Устройство содержит первый 1 и второй 2 инвертирующие усилители, каждый из которых включает в себя одну пару КМОП-транзисторов, истоки которых подключены к соответствующим шинам питания, а затворы объединены между собой и являются входами инвертирующих усилителей, выходами которых являются объединенные стоки комплементарной пары каждого инвертирующего усилителя, мостовую схему 3, первым плечом которой является первый инвертирующий усилитель 1, вход и выход которого соединен через первый резистор 4, вторым плечом является второй резистор 5, первый вывод которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя 1, третьим плечом является первый конденсатор 6, первый вывод которого соединен со вторым выводом второго резистора 5 и входом второго инвертирующего усилителя 2, второй вывод первого конденсатора 6 соединен с первым выводом кварцевого резонатора 7, являющегося четвертым плечом мостовой схемы 3, при этом второй вывод кварцевого резонатора 7 соединен со входом первого инвертирующего усилителя 1, третий 8, четвертый 9, пятый 10, шестой 11, седьмой 12, восьмой 13 и девятый 14 резисторы, второй 15, третий 16, четвертый 17 конденсаторы, диод 18, третий инвертирующий усилитель 19, выполненный на комплементарной паре КМОП-транзисторов, затворы которых объединены между собой и являются входом третьего инвертирующего усилителя 19, выходом которого являются объединенные стоки транзисторов, два "p-" или "n"-канальных КМОП-транзистора управления 20 и 21, истоки и затворы которых соответственно объединены между собой, при этом сток одного из транзисторов управления 21 соединен через второй конденсатор 15 с общей точкой и с первым выводом третьего резистора 8, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого резистора 9, сток другого транзистора управления 20 соединен через пятый резистор 10 с первыми выводами шестого резистора 11 и кварцевого резонатора 7, выход второго инвертирующего усилителя 2 является выходом генератора и соединен со вторым выводом шестого резистора 11 и через последовательно соединенные четвертый резистор 9 и диод 18 со входом третьего инвертирующего усилителя 19, с первыми выводами седьмого резистора 12 и третьего конденсатора 16, вторые выводы которых соединены с выходом третьего инвертирующего усилителя 19 и через восьмой резистор 13 с затворами транзисторов управления 20 и 21, с первым выводом девятого резистора 14, второй вывод которого через четвертый конденсатор 17 соединен с общей точкой, при этом истоки КМОП транзисторов 22, 23 третьего инвертирующего усилителя 19 соединены с соответствующими шинами питания.
В случаях, когда необходимо обеспечить более высокий коэффициент усиления одного из инвертирующих усилителей, например, для уменьшения времени готовности (уменьшения длительности переходного процесса возбуждения колебаний) при малом коэффициенте усиления используемых комплементарных пар КМОП-транзисторов, один из инвертирующих усилителей, например второй, может быть выполнен с использованием трех комплементарных пар КМОП-транзисторов (см. фиг.2).
Регулирующее звено 24 состоит из последовательно соединенных шестого резистора 11, пятого резистора 10 и двух КМОП-транзисторов 20, 21.
Для поддержания устойчивой генерации в контуре обратной связи необходимо выполнение двух условий:
1) суммарный коэффициент передачи по напряжению тракта "вход 27 управляющего звена 24 - выход 26 инвертирующего усилителя 2" должен быть больше 1 (условие баланса амплитуд);
2) суммарный фазовый сдвиг сигнала в тракте "вход 27 управляющего звена 24 - выход 26 инвертирующего усилителя 2" на частоте генерации должен быть равен:  (n - натуральное число, включая 0).
Коэффициенты передачи регулирующего звена 24 и второго инвертирующего усилителя 2 по амплитуде и фазе являются частотонезависимыми в области частот, содержащих резонансную частоту кварцевого резонатора 7. Коэффициент передачи мостовой схемы 3 по амплитуде и фазе существенно изменяется при изменении частоты входного сигнала при значениях частот, близких к резонансной частоте резонатора 7. При значениях частоты сигнала заметно отличающихся от частоты резонанса резонатора 7, коэффициент передачи мостовой схемы 3 может быть близким к нулю при выполнении условия:
0
1
где С, C - значение статической емкости кварцевого резонатора 7 и первого конденсатора 6 соответственно;
1
2
R, R - значения сопротивлений первого 4 и второго 5 резисторов соответственно.
Коэффициент передачи мостовой схемы 3 при частоте сигнала, близкой к значению резонансной частоты кварцевого резонатора 7, в первом приближении равен:
K
K
K
L, С, R - значения эквивалентной индуктивности, емкости и сопротивления последовательного резонансного контура - кварцевого резонатора 7 (см. фиг.3);
f- частота сигнала на входе мостовой схемы 3.
Сдвиг фаз выходного сигнала мостовой схемы 3 относительно входного может изменяться от π/2 (90°) при значениях частоты, меньшей резонанса резонатора 7, до "минус" π/2 (90°), при значениях частоты входного сигнала, больших резонансной. На резонансной частоте фазовый сдвиг между выходным и входными сигналами мостовой схемы 3 будет близким к нулю.
мост
Выражение для коэффициента передачи К (2) справедливо при условии, что коэффициент усиления у первого инвертирующего усилителя 1 много больше единицы.
Коэффициент передачи управляющего звена 24 в зависимости от значения управляющего напряжения на его управляющем входе 28 определяется выражением:
5
6
ynp
где R, R, R - значения сопротивлений пятого 10, шестого 11 резисторов и последовательно соединенных управляющих КМОП-транзисторов 20, 21 соответственно.
упр
При R→0 коэффициент передачи управляющего звена 24 минимален
ynp
и равен значению отношения  При R→∞ коэффициент передачи управляющего звена 24 будет максимальным, со значением близким к единице.
Σ
Сквозной коэффициент тракта положительной обратной связи генератора К определяется выражением:
2
где К - коэффициент усиления второго инвертирующего усилителя 2.
На частоте, равной резонансной частоте резонатора 7,
Σmax
Максимальное значение коэффициента передачи K
ynp
Из условия обеспечения устойчивой генерации минимальное значение (R=0) суммарного коэффициента в тракте положительной обратной связи должно быть не менее единицы
Во всех трех инвертирующих усилителях 1, 2 используются идентичные комплементарные пары КМОП-транзисторов обогащенного типа.
6
упр
Работа генератора с автоматической регулировкой происходит следующим образом. В исходном состоянии, при отсутствии напряжения на шинах питания генератора между выводами всех его элементов, в том числе и у кварцевого резонатора 7 будет нулевая разность электрических потенциалов, в кварцевом резонаторе отсутствуют механические колебания. При этом сопротивление "сток-исток" регулирующих транзисторов 20, 21 имеет максимальное значение, много больше сопротивления шестого резистора 13 (R << R).
При этом сопротивление управляющих транзисторов будет велико
упр
(R→∞), что обеспечивает максимальное значение коэффициента передачи регулирующего звена 24 и всего тракта петли положительной обратной связи.
1
3
4
2
3
4
2
После подключения к шинам генератора "Ucc", "Общ" источника питания на выходах первого 1, второго 2 и третьего 19 инвертирующих усилителей устанавливаются напряжения, постоянные составляющие которых имеют примерно равные значения через время, равное 3·τ=3·(R+R)·C (R - значение сопротивления третьего резистора 8, Я -значение сопротивления четвертого резистора 9, С - значение емкости второго конденсатора 15).
Потенциалы объединенных затворов управляющих транзисторов 20, 21 регулирующего звена 24 и их истоков становятся равными между собой и равны постоянным составляющим выходных напряжений второго 2 и третьего 19 инвертирующих усилителей.
упр
ynp
Переменная составляющая напряжения в первые моменты после подключения генератора к источнику питания в различных его точках имеет шумовой характер с широким спектром частот. Максимальная амплитуда переменного напряжения в контуре положительной обратной связи присутствует на выходе второго инвертирующего усилителя 2 и передается практически без ослабления регулирующим звеном 24 на вход мостовой схемы 3 (К≈1, R→∞).
Мостовая схема 3 обеспечивает ослабление сигналов в широком диапазоне частот за исключением узкой полосы в области частоты резонанса кварцевого резонатора 7. Таким образом, на вход второго инвертирующего усилителя 2 попадают сигналы, выделенные из шумового спектра в узкой полосе частот, близких к частоте резонанса кварцевого резонатора 7.
При этом за счет использования в одном из плеч мостовой схемы 3 первого инвертирующего усилителя 1 сигналы, поступающие на вход второго инвертирующего усилителя 2, будут инвертированы и ограничены по полосе частот относительно сигналов на входе мостовой схемы 3 (более подробно процесс передачи сигнала через мостовую схему описан в патенте РФ №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007, Б.И. №17).
Усиленные сигналы вторым инвертирующим усилителем 2 с частотой, близкой к резонансной частоте резонатора 7, в контуре положительной обратной связи генератора и будут нарастать до тех пор, пока коэффициент передачи контура не станет равным единице.
Σmin
В зависимости от значения минимального суммарного коэффициента передачи K тракта положительной обратной связи, определяемого выражением (8), возможны два режима работы.
При
(сопротивление транзисторов 20, 21 близко к нулю) сигнал на выходе усилителя 2 имеет синусоидальную форму (первый режим работы).
Σ
Σmin
При К>К>1 сигнал на выходе усилителя 2 имеет трапецеидальную форму (второй режим работы).
2
В первом режиме работы амплитуда выходного сигнала второго инвертирующего усилителя 2 U нарастает в переходном режиме от уровня шумов до амплитуды, равной значению:
д_пр
где U - прямое напряжение диода 18;
3
R - сопротивление третьего резистора 8;
4
R - сопротивление четвертого резистора 9.
Во втором режиме работы амплитуда выходного сигнала второго инвертирующего усилителя 2 нарастает в переходном режиме до значения, равного напряжению переключения последней комплементарной пары КМОП транзисторов усилителя 2 (примерно равна 0,5-Ucc).
Нарастание сигнала на выходе усилителя 2 в переходном процессе для первого и второго режимов до значения амплитуды выходного напряжения, равного значению, определяемому выражением (10), происходит с максимальным коэффициентом передачи в контуре положительной обратной связи , что обеспечивает максимальную скорость нарастания амплитуды выходного сигнала усилителя 2.
При приближении к значению амплитуды, определяемому выражением (10), в цепи "выход третьего инвертирующего усилителя (объединение стоков комплементарной пары КМОП транзисторов 22, 23) - третий конденсатор 16
- шестой резистор 11 - диод 18 - четвертый резистор 9 - выход второго инвертирующего усилителя 2" начинает протекать ток.
Протекание тока по указанной выше цепи происходит каждый раз, когда выходное напряжение инвертирующего усилителя 2 принимает экстремальное значение; минимально - при соединении диода 18 анодом к выходу усилителя 2 и катодом к затворам транзисторов 22, 23; максимальное
- при обратном соединении электродов диода 18. При этом возникает разность потенциалов между выводами третьего конденсатора 16, приводящее к изменению среднего значения напряжения на входе и выходе третьего усилителя 19 и, соответственно, на затворах регулирующих транзисторов 20, 21 (на управляющем входе 28 регулирующего звена 24). Это приводит к уменьшению их сопротивления "сток-исток", и соответственно, к уменьшению коэффициента передачи регулирующего звена 24 и суммарного коэффициента передачи всего тракта положительной обратной связи до значения, равного единице (первый режим, выходной сигнал - синусоидальный).
В случае, когда рост амплитуды переменного напряжения на выходе усилителя 2 до значения напряжения (10) не приводит к уменьшению суммарного коэффициента передачи тракта обратной связи до единицы (второй режим), выходное напряжение усилителя 2 будет нарастать до появления нелинейных искажений, уменьшающих суммарный коэффициент передачи по первой гармонике до единичного значения (второй режим, выходной сигнал трапецеидальной формы).
При использовании в качестве регулирующих элементов КМОП -транзисторов 20, 21 с каналом "n"-типа на их затвор относительно истоков должно подаваться положительное напряжение, а при использовании транзисторов с каналом "р"-типа напряжение управления ("затвор-исток") должно быть отрицательным. Получение необходимого знака напряжения "затвор-исток" достигается соответствующим подключением электродов диода 18 между выходом второго усилителя 2 и входом третьего усилителя 19 (затворы КМОП транзисторов 22, 23).
В регулирующем звене 24 возможно использование одного управляющего транзистора. Использование двух встречно включенных управляющих КМОП - транзисторов позволяет уменьшить нелинейные искажения сигналов на выходе регулирующего звена 24.
Для уменьшения пульсаций напряжения управления, подаваемого на затворы управляющих транзисторов 20 и 21, используется фильтр, в состав которого входят восьмой резистор 13 и четвертый конденсатор 17. Девятый резистор 14 повышает устойчивость автоматической регулировки коэффициента передачи в тракте положительной обратной связи генератора.
Второй инвертирующий усилитель 2 может быть выполнен в виде одной комплементарной пары КМОП транзисторов или с использованием трех комплементарных пар, соединенных по схеме, согласно фиг.2, когда одна комплементарная пара не обеспечивает требуемого коэффициента усиления. Необходимость более высокого коэффициента усиления усилителя 2 может возникнуть для обеспечения малого времени готовности.
Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.