Rechteckimpulsgeneratoren auf Basis von CMOS-Chips. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Der Autor dieses Artikels führte experimentelle Arbeiten durch, um die Eigenschaften verschiedener Oszillatoren auf CMOS-Mikroschaltungen zu untersuchen. Als Ergebnis wählte er einige der seiner Meinung nach interessantesten Optionen für deren Umsetzung aus, die wir den Lesern vorstellen.

In diesem Artikel werden kurz mehrere Schaltungsdesigns eines Rechteckimpulsgenerators beschrieben, der auf verschiedenen Mikroschaltungen der K561-Serie basiert. Der Aufbau des Artikels ist vergleichend und referenzierend. Jeder Schaltung liegt eine Liste von Parametern und Merkmalen (siehe Tabelle) sowie grafische Abhängigkeiten des verbrauchten Stroms und der erzeugten Frequenz von der Versorgungsspannung bei.

Der Generator nach dem Schema in Abb.	Die untere Grenze des Widerstandswerts des Widerstands R1, kOhm	Die höchste Generationsfrequenz, MHz	Minimale Versorgungsspannung, V	Frequenzänderung bei Erwärmung auf 85°С, %	Arbeitszyklus der Ausgangsimpulse
1,a	1	2	2	-4	2
2,a	1	2	4	-	2
3,a	0,56	2	2,5	-5	>2
4,a	0,56	2	2	+2,5	<2
5,a	-	1,3	3	-	<2
6,a	1	1	1,4	-11	>2

Darüber hinaus gibt es für jeden Generator eine Formel, mit der Sie den Wert der erzeugten Frequenz in Abhängigkeit von den Nennwerten der Elemente des Frequenzeinstellkreises berechnen können (Frequenz – in Hertz, Widerstand in Ohm, Kapazität – in Farad, Induktivität). - in Henry; praktischer übrigens für RC-Generatoren: Frequenz - in Kilohertz, Widerstand in Kilo-Ohm, Kapazität - in Mikrofarad; für LC-Generatoren: Frequenz in Megahertz, Kapazität - in Nanofarad, Induktivität - in Millihenry). Berechnungsformeln für eine Reihe von Generatoren wurden experimentell ermittelt.

Alle im Artikel vorgestellten Eigenschaften der betrachteten Generatoren wurden als Ergebnis von Experimenten mit spezifischen Mustern von Mikroschaltungen ermittelt. Bei anderen Mikroschaltungen können die Eigenschaften geringfügig abweichen. Formeln zur Berechnung der Frequenz entsprechen einer Versorgungsspannung von 5 V und einer Umgebungstemperatur von 25 °C. Die Belastbarkeit der Generatoren entspricht der der Mikroschaltungselemente der Serie K561. Die Obergrenze der Generatorversorgungsspannung wird auch durch die Reihe der verwendeten Mikroschaltungen bestimmt und beträgt 15 V, die Untergrenze ist in der Tabelle angegeben. Aus praktischen Gründen habe ich die Obergrenze des Widerstandswiderstands auf 40 MOhm festgelegt.

Bei Generatoren mit kapazitiver Mitkopplung kann die Amplitude der Impulse am Eingang des Elements die Versorgungsspannung überschreiten. In diesen Fällen öffnen die Eingangsschutzdioden und es beginnt Strom durch sie zu fließen. Um diesen Strom zu begrenzen, muss im Eingangskreis ein Widerstand mit einem Widerstandswert von 1...150 kOhm eingebaut werden, wie in [1] angegeben und in [2] verwendet.

Alle in diesem Artikel besprochenen Generatoren verfügen über eine sanfte Erregung. Mit anderen Worten: Egal wie langsam die Versorgungsspannung ansteigt, der Generator funktioniert immer noch.

Der auf 2I-NOT-Elementen basierende Generator (Abb. 1,a) ist bereits zu einem Klassiker geworden und aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Es bleibt betriebsbereit, wenn die Versorgungsspannung Up auf 2 V reduziert wird, die Erzeugungsfrequenz wird jedoch deutlich reduziert.

Das Tastverhältnis der Impulse liegt bei jeder Versorgungsspannung nahe bei zwei. Durch die Erwärmung des Mikroschaltungskörpers nimmt die Frequenz leicht ab (um 4 % bei 85 °C).

Ein ähnlicher Generator kann auf zwei 2OR-NOT-Logikelementen (Abb. 2, a), auf zwei Wechselrichtern (Abb. 3, a) und auch auf drei Wechselrichtern (Abb. 4, a) hergestellt werden. Einzelheiten zur Funktionsweise und zu den Unterschieden von Generatoren mit zwei und drei Wechselrichtern finden Sie in [3]. Beachten Sie, dass bei einem Generator, der auf 2OR-NOT-Elementen basiert, die Erzeugungsfrequenz praktisch unabhängig von der Temperatur des Mikroschaltungsgehäuses ist und bei Generatoren, die auf Wechselrichtern basieren, die Frequenz im Bereich Upit = 9...15 V sehr stabil ist.

Abbildung 5a zeigt die Schaltung des einfachsten LC-Generators mit einem 2I-NOT-Logikelement. Der LC-Schaltkreis verschiebt die Phase des Ausgangssignals des Elements um 180 Grad, was zu einer Selbsterregung des Generators führt. Solche Generatoren arbeiten gut bei hohen Frequenzen, sind sanft angeregt und zeichnen sich durch eine hohe Temperaturstabilität aus [3].

Wenn die Frequenz über 1,3 MHz ansteigt, beginnt die Amplitude der Ausgangsimpulse abzunehmen.

Der Generator kann auch 2OR-NOT-Elemente betreiben und erzeugt in diesem Fall keine rechteckigen Impulse, sondern Schwingungen, die einer Sinusform ähneln.

Für einen stabilen Betrieb des Generators sollte der Wellenwiderstand des LC-Kreises nicht weniger als 2 kOhm betragen. Die Erzeugungsfrequenz stimmt praktisch mit der Resonanzfrequenz des LC-Kreises überein. Der Vorteil des Generators ist seine hohe Temperaturfrequenzstabilität.

Generatoren ähnlicher Struktur können auf einem einzigen Element, einem Schmitt-Trigger, hergestellt werden (Abb. 6a). Bei einer Versorgungsspannung nahe dem Maximum sind sie sehr frequenzstabil. Darüber hinaus sind sie äußerst sparsam – bei einer Versorgungsspannung von weniger als 6 V verbrauchen sie einen Strom von nur wenigen zehn Mikroampere.

Literatur

1. Biryukov S. A. Digitale Geräte auf integrierten MOS-Schaltkreisen, Bd. 1132, S. 60-65; Ausgabe 1220, S. 105-111. - M.: Radio und Kommunikation, 1990; 1996 (MRB).
2. Netschajew I. Logiksonde ohne Stromversorgung. - Radio, 1990, Nr. 10, S. 83,84.
3. Biryukov S. Generatoren und Impulsformer auf CMOS-Mikroschaltungen. Radio, 1995, Nr. 7, S. 36,37.
4. Kiverin N. LC-Generator basierend auf Logikelementen. - Radio, 1990, Nr. 7, S. 55.

Autor: S. Elimov, Tscheboksary

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