МИКРОМОЩНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована в качестве генератора тактовых импульсов и генератора временных меток в различных устройствах обработки информации, а также в цифровых приборах с автономным питанием.
Известны генераторы импульсов на двух последовательно соединенных инверторах, содержащих комплементарные пары МОП транзисторов разной проводимости, в которых вход первого инвертора через времязадающий резистор соединен с его выходом и входом второго инвертора, выход которого через времязадающий конденсатор подключен к входу первого инвертора и является выходом устройства (Елимов С. Генераторы прямоугольных импульсов на микросхемах КМОП. Радио, №1, 2000, с. 45, рис. 1; Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 3. Пер. с англ. - М: Мир, 1993, с. 236, рис. 14.35).
Недостатком такого генератора является большая мощность потребления из-за протекания большого сквозного тока через МОП транзисторы разной проводимости в первом инверторе при экспоненциальном изменении напряжения на его входе в процессе заряда и разряда времязадающего конденсатора. Максимальное значение сквозного тока достигает единиц-десятков миллиампер при входном напряжении, составляющем примерно половину напряжения питания, и возрастает по квадратичному закону при его увеличении.
Известен также генератор импульсов на двух последовательно соединенных КМОП инверторах с дополнительным МОП транзистором в цепи питания, в которых вход первого инвертора через времязадающий резистор соединен с его выходом и входом второго инвертора, выход которого через времязадающий конденсатор подключен к входу первого инвертора и является выходом устройства (Ханин Б.Я., Федоров В.И. Генератор прямоугольных импульсов. Авт. свид. №1221711. МПК Н03К 3/03. 1986. Бюл. №12).
В данном генераторе МОП транзистор ограничивает на минимальном уровне напряжение питания инверторов при увеличении общего напряжения питания генератора в рабочем диапазоне. Однако такой генератор формирует выходные импульсы небольшой амплитуды, что требует их дополнительного усиления для согласования с уровнями входных сигналов других цифровых функциональных узлов и, в итоге, приводит к увеличению энергопотребления прибора. Кроме того, в схеме этого генератора на входе первого инвертора установлен дополнительный делитель напряжения на резисторах, зашунтированных конденсаторами, через который непрерывно протекает ток от источника питания, приводящий к увеличению потребляемой мощности. При этом также повышается динамическая мощность потребления генератора из-за перезаряда емкостей делителя напряжения выходными импульсами генератора, поступающими на них через времязадающий конденсатор.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели (прототипом) является генератор импульсов, содержащий два МОП транзистора разной проводимости (один - с n-каналом, другой - с p-каналом) и два инвертора на комплементарных парах МОП транзисторов. Вход первого инвертора через времязадающий резистор соединен с его выходом и подключен к входу второго инвертора, выход которого через времязадающий конденсатор соединен с входом первого инвертора. Исток n-канального МОП транзистора в первом инверторе соединен со стоком первого МОП транзистора с n-каналом, исток которого подключен к нулевой цепи, а исток р-канального МОП транзистора в первом инверторе соединен со стоком второго МОП транзистора с р-каналом, исток которого подключен к источнику питающего напряжения (Авт. свид. №1411929, МПК Н03К 3/027. Иванов Б.Р., Цибуленко Н.И. Генератор прямоугольных импульсов, 1988. Бюл. №27).
В схеме этого генератора МОП транзисторы разной проводимости выполняют функцию звена отрицательной обратной связи по цепи питания первого инвертора и позволяют сократить время протекания его сквозного тока за счет применения дополнительной времязадающей цепи, подключенной к затворам МОП транзисторов. Однако максимальное значение сквозного тока, протекающего через первый инвертор при напряжении на времязадающем конденсаторе, близком к половине напряжения питания генератора, остается сравнительно большим и возрастает при повышении питающего напряжения, что приводит к увеличению энергопотребления генератора.
Задачей изобретения является создание устройства «Микромощный генератор импульсов», позволяющего уменьшить потребляемую мощность генератора в широком диапазоне питающего напряжения.
Эта задача решается тем, что в устройство «Микромощный генератор импульсов», содержащее два МОП транзистора разной проводимости и два инвертора на комплементарных парах МОП транзисторов, вход первого инвертора через времязадающий резистор соединен с его выходом и входом второго инвертора, выход которого через времязадающий конденсатор подключен к входу первого инвертора, исток n-канального МОП транзистора первого инвертора соединен со стоком первого МОП транзистора одинаковой проводимости, исток которого подключен к нулевой цепи, а исток р-канального МОП транзистора первого инвертора соединен со стоком второго МОП транзистора такой же проводимости, исток которого подключен к источнику питающего напряжения, дополнительно введены два резистора, которые подключены соответственно между истоками и стоками первого и второго МОП транзисторов разной проводимости, объединенные затворы которых соединены с выходом второго инвертора, который является выходом генератора.
На фиг. 1 представлена электрическая схема микромощного генератора импульсов; на фиг. 2 приведены временные диаграммы его работы.
Генератор содержит инвертор 1 на основе МОП транзистора 2 с каналом р-типа и МОП транзистора 3 с каналом n-типа. Стоки МОП транзисторов 2, 3 подключены к входу инвертора 4, а также через времязадающий резистор 5 соединены с объединенными затворами МОП транзисторов 2, 3, которые через времязадающий конденсатор 6 подключены к выходу инвертора 4. Выход инвертора 4 соединен с затвором МОП транзистора 7 с каналом n-типа, исток которого подключен к общей шине, а его сток - к истоку МОП транзистора 3 инвертора 1, который через резистор 9 соединен с нулевой шиной источника питания. Сток МОП транзистора 8 с каналом р-типа подключен к истоку МОП транзистора 2 инвертора 1, который через резистор 10 подключен к истоку МОП транзистора 8 и соединен с клеммой 11 источника питания и с цепью питания инвертора 4. Выход инвертора 4 соединен с затвором МОП транзистора 8 с каналом р-типа. Выход инвертора 4 является выходом устройства.
Микромощный генератор импульсов работает следующим образом.
ПИТ
1
4
1
ПИТ
6
ПОР3
1
6
ПИТ
1
ПИТ
10
6
4
4
ПИТ
ПОР2
1
9
6
ПОР2
При включении напряжения питания U открывается МОП транзистор 2 в инверторе 1, на затвор которого через времязадающий конденсатор 6 подается нулевой потенциал. МОП транзистор 3 в инверторе 1 при этом закрыт и исключает протекание сквозного тока I через инвертор 1, который устанавливается по выходу в состояние логической единицы, а инвертор 4 переводится в состояние логического нуля. Низким выходным напряжением U=0 инвертора 4 открывается МОП транзистор 8 и закрывается МОП транзистор 7. При этом конденсатор 6 начинает заряжаться через времязадающий резистор 5 по экспоненциальному закону высоким выходным напряжением U≈U инвертора 1. При повышении напряжения на конденсаторе 6 до порогового значения напряжения U=U открывается МОП транзистор 3 в инверторе 1, поэтому через него начинает протекать сквозной ток I. Этот ток возрастает до максимального значения при напряжении на входе инвертора 1, составляющем примерно половину напряжения питания: U≈0,5U. При этом значение сквозного тока, протекающего через МОП транзисторы 2 и 3, ограничивается сопротивлением резистора 10 на максимальном уровне I≤U/2R. Дальнейшее увеличение напряжения U на входе инвертора 1 приводит к его переключению в состояние логического нуля, при котором инвертор 4 устанавливается в состояние логической единицы. Скачок выходного напряжения U инвертора 4 поступает через конденсатор 6 на вход инвертора 1, что приводит к закрыванию МОП транзистора 2. Одновременно выходным напряжением U≈U инвертора 4 закрывается МОП транзистор 8 и открывается МОП транзистор 7. После этого конденсатор 6 начинает разряжаться до порога открывания U МОП транзистора 2 в инверторе 1, а максимальное значение сквозного тока I, протекающего через первый инвертор, ограничивается резистором R. При снижении напряжения на входе первого инвертора до уровня U≤U инвертор 1 снова устанавливается в состояние логической единицы, а инвертор 4 - в состояние логического нуля. При его переключении на вход инвертора 1 через конденсатор 6 поступает отрицательный скачок напряжения с выхода инвертора 4, закрывающий МОП транзистор 3 и открывающий МОП транзистор 2 инвертора 1. Одновременно низким выходным напряжением инвертора 4 открывается МОП транзистор 8 и закрывается МОП транзистор 7. После этого снова начинается экспоненциальный заряд конденсатора 6 через времязадающий резистор 5, т.е. процесс формирования импульсов повторяется.
Выигрыш в уменьшении потребляемой мощности в предлагаемой полезной модели обеспечивается за счет ограничения резисторами 9 и 10 амплитуды сквозного тока, протекающего через МОП транзисторы 2, 3 первого инвертора, а также за счет подключения затворов МОП транзисторов 7 и 8 к выходу инвертора 4. Такое подключение МОП транзисторов 7 и 8 эквивалентно включению в схему генератора цепи положительной обратной связи, что позволяет повысить крутизну фронтов импульсов на выходе инвертора 1 даже при установке высокоомных резисторов 9 и 10.
5
6
В предложенном микромощном генераторе импульсов частота выходных импульсов зависит не только от сопротивления R и емкости С времязадающих элементов 5 и 6, как в обычных КМОП генераторах , но и от применения МОП транзисторов 7 и 8 с резисторами 9 и 10 в цепи положительной обратной связи, с учетом которой частота выходных импульсов определяется формулой
9
10
Эффективность предложенного решения оценена схемотехническим моделированием по программе "Multisim-12" и экспериментальным исследованием схемы генератора устройства, собранного на КМОП микросхеме К176ЛП1. В результате установлено, что подключение затворов МОП транзисторов к выходу второго инвертора и применение резисторов 9 и 10 с одинаковыми сопротивлениями R=R=(10…20) кОм позволяет в 13-15 раз уменьшить потребляемую мощность генератора по сравнению с известными генераторами.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на его соответствие условию патентоспособности "новизна".
Отличительные признаки полезной модели: введение двух резисторов для ограничения амплитуды сквозного тока первого инвертора и подключение затворов МОП транзисторов к выходу второго инвертора для формирования положительной обратной связи, в аналогах не встречаются. Следовательно, предлагаемая полезная модель удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".
Промышленная применимость предлагаемого микромощного генератора импульсов обусловлена наличием современной элементной базы. Его можно реализовать на универсальном логическом элементе типа К176ЛП1, содержащем комплементарные пары МОП транзисторов с каналами n-типа и р-типа, которые имеют отдельные выводы цепей стока, истока и затвора. В качестве инверторов могут быть использованы элементы К561ЛН1, К561ЛА7 с МОП транзисторами типов КП304, КП313, резисторы типа С3-30 и конденсатор типа КТ-1.
Для стабилизации частоты импульсов в предложенной модели генератора вместо времязадающего конденсатора 6 может быть использован кварцевый резонатор, например, типа РК с частотой резонанса 32,768 кГц.