Генератор

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности, в пьезорезонансных датчиках. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии настройки RC-моста и увеличение коэффициента усиления за счет использования дополнительного каскада. Генератор с электромеханическим частотозадающим резонатором состоит из: RC-моста, содержащего электромеханический резонатор с пьезоэлектрическим или электростатическим преобразователем, нейтрализующий конденсатор, первый и второй резисторы, второй конденсатор; дифференциального каскада на последовательно соединенных МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости, выходом дифференциального каскада является точка соединения стока одного транзистора с истоком другого транзистора; усилителя. Выход усилителя соединен с точкой соединения первых выводов электромеханического преобразователя резонатора и нейтрализующего конденсатора, вторые выводы которых соединены соответственно с затворами первого и второго транзисторов и первыми выводами резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно со стоками первого и второго транзисторов. Затвор второго транзистора соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с источником питания. Выход дифференциального каскада соединен со входом усилителя, который выполнен трехкаскадным на трех комплементарных парах МОП-транзисторов, охваченных общей отрицательной обратной связью по постоянному току для обеспечения линейного режима работы при малых уровнях усиливаемого сигнала. Заявляемое изобретение позволяет увеличить коэффициент усиления за счет использования дополнительного каскада. 2 ил.

 

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 RU №2231914, кл. Н03В 5/36 от 16.07.2002 г., опубликованный 27.06.2004 г. в БИ №18), содержащий резонатор, оснащенный электромеханическим преобразователем пьезоэлектрического или электростатического типа, конденсатор, усилитель, выход которого соединен с первыми выводами электромеханического преобразователя и конденсатора, первый и второй резисторы, первые выводы которых соединены со вторыми выводами электромеханического преобразователя и конденсатора соответственно, дифференциальный каскад, выполненный на двух МОП-транзисторах, сток первого из которых соединен с истоком второго с образованием общей точки, которая является выходом дифференциального каскада и соединена со входом усилителя, исток первого, сток второго МОП-транзисторов соединены с источником питания, стоки первого и второго транзисторов соединены со вторыми выводами резисторов соответственно, первые выводы которых соединены с затворами первого и второго транзисторов соответственно.

Недостатком прототипа является нарушение работоспособности генератора при использовании инвертирующего усилителя, необходимость использования которого возникает при необходимости увеличения коэффициента усиления усилителя за счет введения дополнительного каскада. Другим недостатком прототипа является сложность балансировки RC-моста, образованного статической емкостью электромеханического преобразователя резонатора, конденсатором, первым и вторым резисторами, при значениях статической емкости электромеханического преобразователя резонатора меньше 1 пФ.

Решаемой задачей является создание генератора с использованием в нем в качестве подстроечных элементов конденсаторов, изготовленных по стандартному ряду, и инвертирующего усилителя.

Техническим результатом является упрощение технологии настройки RC-моста и увеличение коэффициента усиления за счет использования дополнительного каскада.

Технический результат достигается в генераторе тем, что он содержит частотозадающий резонатор с электромеханическим преобразователем пьезоэлектрического или электростатического типа, первый конденсатор, усилитель, выход которого соединен с первыми выводами электромеханического преобразователя и первого конденсатора, первый и второй резисторы, первые выводы которых соединены со вторыми выводами электромеханического преобразователя и первого конденсатора соответственно, дифференциальный каскад, выполненный на двух МОП-транзисторах, сток первого из которых соединен с истоком второго с образованием общей точки, которая является выходом дифференциального каскада и соединена со входом усилителя, исток первого и сток второго МОП-транзисторов соединены с источником питания, стоки первого и второго МОП-транзисторов соединены со вторыми выводами резисторов соответственно, первые выводы которых соединены с затворами первого и второго МОП-транзисторов соответственно, новым является то, что введен второй конденсатор, первый вывод которого соединен с затвором второго МОП-транзистора и вторым выводом первого конденсатора, а второй вывод второго конденсатора соединен с источником питания, второй вывод электромеханического преобразователя соединен с затвором первого МОП-транзистора, при этом усилитель выполнен инвертирующим.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема одного из возможных вариантов генератора с электромеханическим резонатором, оснащенным электромеханическим преобразователем пьезоэлектрического типа.

На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема дифференциального каскада с присоединенными к нему элементами моста.

Генератор с электромеханическим частотозадающим резонатором состоит из:

- RC моста, содержащего электромеханический резонатор 1 с пьезоэлектрическим или электростатическим электромеханическим преобразователем; нейтрализующий конденсатор 2, первый резистор 3, второй резистор 4, второй конденсатор 5;

- дифференциального каскада на последовательно соединенных МОП-транзисторах с одинаковым типом проводимости (например, n-типа) 6, 7; выходом дифференциального каскада является точка 8 соединения стока транзистора 6 с истоком транзистора 7;

- усилителя 9 (показан на фиг.1 пунктиром).

Выход усилителя 9 соединен с точкой соединения первых выводов электромеханического преобразователя резонатора 1 и нейтрализующего конденсатора 2, (точка 11) вторые выводы которых соединены соответственно с затворами транзисторов 6, 7 и первыми выводами резисторов 3, 4. Вторые выводы резисторов 3, 4 соединены соответственно со стоками транзисторов 6, 7. Затвор транзистора 7 соединен с первым выводом конденсатора 5, второй вывод которого соединен с источником питания (общей точкой 12). Выход дифференциального каскада (точка 8) соединен со входом усилителя 9, который в представленном на фиг.1 варианте выполнен трехкаскадным на трех комплементарных парах МОП-транзисторов, охваченных общей отрицательной обратной связью по постоянному току, для обеспечения линейного режима работы при малых уровнях усиливаемого сигнала.

Устройство работает следующим образом. Источник питания подключают к стоку транзистора 7 и истоку транзистора 6. Напряжение смещения, задающее режим работы транзисторов 6, 7, подается через резисторы 3, 4 соответственно. Значение сопротивления резистора 3 выбирается из условия минимального влияния на добротность резонатора (при значении сопротивления резистора 3, равном 0,1·R_к, относительное уменьшение добротности будет равно 10%). Выбором значений сопротивления резистора 4, емкости конденсаторов 2, 5 обеспечивается равенство амплитуд и фаз сигналов на затворах транзисторов 6, 7, что приводит к взаимному их подавлению при отсутствии колебаний резонатора. При наличии переменного напряжения в точке 11 (фиг.1) объединения первых выводов электромеханического преобразователя резонатора 1 и первого конденсатора, относительно общей точки 12 возникают переменные токи, протекающие по двум контурам. Элементами первого контура являются: импеданс электромеханического преобразователя 1 (двухполюсник L_кC_кR_кC₀ фиг.2), резистор 3 (R₂), внутренние сопротивления "сток-исток" МОП-транзисторов 6, 7, точки подключения источника питания 12, 13 (по переменному току точки 12, 13 равнопотенциальны). Второй контур включает в себя первый конденсатор 2, второй резистор 4, источник питания (точка 13). Переменные токи, протекающие по элементам указанных выше контуров, определяются импедансами электромеханического преобразователя 1 и первого конденсатора 2 соответственно, так как их значения много больше значений импедансов остальных элементов, находящихся с ними в последовательной цепи. Часть тока, протекающего в цепи электромеханического преобразователя 1 и первого конденсатора 2, протекает соответственно по входной емкости затвора МОП-транзистора 6 и по суммарной емкости второго конденсатора 5 и входной емкости затвора МОП-транзистора 7 (см. фиг.2), т.е. входные импедансы, связанные с затворами транзисторов 6, 7 (VT₂, VT₁ - фиг.2), определяются параллельным соединением резисторов 3, 4 (R₂, R₁ - фиг.2) с входной емкостью затвора транзистора 6 (VT₂, - фиг.2) и суммой входной емкости затвора транзистора 7 ( - фиг.2) и емкости второго конденсатора 5 (C₂ - фиг.2) соответственно. Значения переменных напряжений на затворах МОП-транзисторов 6, 7 пропорциональны значению их входных импедансов и токов, протекающих в первом и втором контуре соответственно. Процесс передачи напряжения сигнала, действующего на затворе МОП-транзистора 6 на выход дифференциального каскада - точка 8, аналогичен как в усилителе с общим истоком с отрицательной обратной связью по напряжению, при этом МОП-транзистор 6 является активным (усилительным) элементом, роль его стоковой нагрузки выполняет транзистор 7, обратная связь сток - затвор подается через резистор 3 (R₂ фиг.2). Фаза выходного сигнала отличается от фазы входного на π (180°) (т.е. инвертирована). Процесс передачи напряжения сигнала, действующего на затворе МОП-транзистора 7 на выход дифференциального каскада - точка 8, аналогичен процессу в истоковом повторителе, при этом активным элементом является транзистор 7, а его истоковой нагрузкой транзистор 6, а фаза выходного сигнала повторяет фазу входного сигнала. При наличии сигналов на обоих входах дифференциального каскада (затворы транзисторов 6, 7) сигнал на его выходе будет определяться разностью входных напряжений, и при синфазных сигналах с равными амплитудами может быть ослаблен до нуля. Как указывалось выше, токи в первом и втором контурах определяются значениями импедансов (проводимостями) электромеханического преобразователя 1 и первого конденсатора 2

где U_Г - значение амплитуды переменного напряжения точки 11 относительно общей точки 12;

, - проводимость электромеханического преобразователя 1 и первого конденсатора 2 соответственно;

C₀, C₁ - статическая емкость электромеханического преобразователя 1 и первого конденсатора 2 соответственно;

L_к, C_к, R_к - эквивалентная индуктивность, емкость и активное сопротивление электромеханического преобразователя соответственно.

Значения напряжений на инверсном (затвор МОП-транзистора 6) и на прямом (затвор МОП-транзистора 7) входах дифференциального каскада пропорциональны входным импедансам и соответствующему контурному току и с учетом (1), (2), (3), (4) равны соответственно:

где Z_ИН, Z_пр - импедансы инверсного и прямого входов дифференциального каскадов соответственно (см. фиг.2);

Напряжение на инверсном входе дифференциального каскада представляет векторную сумму двух составляющих, определяемых током, протекающим по статической емкости С_о и током резонансного контура "L_кC_кR_к". Результирующее (суммарное) выходное напряжение U_вых дифференциального каскада при наличии переменных

напряжений на его входах согласно (5), (6) определяется из анализа работы дифференциального каскада (фиг.2) в части зависимости тока стока транзисторов VT₁, VT₂ от напряжений "затвор-исток". Ток стока полевых транзисторов определяется следующими известными уравнениями:

где I_C - ток стока МОП-транзистора в режиме насыщения;

k - постоянный коэффициент, определяемый конструкцией транзистора;

S, U_П - крутизна и пороговое напряжение соответственно. С учетом того, что в дифференциальном каскаде МОП-транзисторы VT₁, VT₂ включены последовательно, их токи стока всегда равны между собой. Из уравнений (11), (12) следует:

где индексы при S,U_ЗИ, U_П относятся к транзисторам VT₁ и VT₂ соответственно.

Для каскадно включенных (см. фиг.2) транзисторов VT₁, VT₂ напряжения между затвором и истоком соответственно равны:

где U_СС - напряжение источника питания.

Выражение для выходного напряжения U_вых дифференциального каскада с учетом уравнений (11), (12), (13) имеет вид:

Согласно (14) входное напряжение дифференциального каскада U_вых имеет составляющие постоянного и переменного напряжений; составляющие переменного напряжения с учетом (5), (6), (7), (8) определяются выражением:

или обозначив

где - угловая резонансная частота,

Из выражений (15), (16) следует: для компенсации негативного влияния статической емкости С₀ электромеханического резонатора необходимо обеспечить выполнение равенства

или

Уравнение (18) может быть справедливо только при равенстве τ₁=τ₂, тогда:

и

Задаваясь значениями сопротивлений R₁ и R₂ (с учетом того, что R₂<0,1R_к), значения емкости конденсаторов C₁ и С₂ должны выбираться из условий:

,

В случае использования в дифференциальном каскаде МОП-транзисторов одного типа - S₁≈S₂; условия (21), (22) примут вид:

и

При выполнении условий (17) с учетом S₁=S₂ выражение для выходного напряжения дифференциального каскада будут иметь вид:

Для области частот, близких к резонансной частоте ω₀,

член , с учетом того, что ,

где δω - относительная расстройка частоты относительно резонансной;

Q - добротность резонатора.

выражение (25) можно представить в виде:

Знак "минус" в выражениях для выходного сигнала (25), (26) свидетельствует об инвертировании фазы на 180° относительно фазы источника сигнала U_Г, дополнительные изменения фазы сигнала на выходе дифференциального каскада возникают из-за емкостной составляющей входного импеданса инверсного входа (затвор транзистора VT₂).

Коэффициент передачи в цепи "вход электромеханического преобразователя - выход дифференциального каскада" равен:

Инвертирующий усилитель 9 (фиг.1), на вход которого подается сигнал с выхода дифференциального каскада (точка 8), передает сигнал на свой выход с инвертированием фазы (переворот на 180°). В режиме малого сигнала (в линейном режиме), при малых фазовых искажениях усилителя на рабочей частоте (близкой к ω₀), коэффициент передачи в петле обратной связи "вход электромеханического преобразователя 1 - выход усилителя 9" К_∑ будет равен:

где К_ус - коэффициент передачи усилителя 9.

Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:

1) |К_∑|>1; 2) ∑ϕ_i=0 - суммарное изменение фазы при передаче сигнала в тракте.

Первое условие выполняется выбором соответствующего значения коэффициента передачи усилителя 9.

Второе условие реализуется в случае, когда суммарный коэффициент передачи является действительной положительной величиной. Для суммарного коэффициента передачи К_∑ согласно выражения (28) указанное выше условие реализуется на частоте, при которой комплексное число j·(2δω·Q+ωτ₂) принимает нулевое значение, a [1-2(ω-ω₀)Q·τ₂]>0, т.е.

Условие (29) выполняется при отрицательных значениях относительной расстройки от резонансной частоты f₀, равной:

где - период колебаний, соответствующий резонансу, что обеспечивает и выполнение условия (30), т.к. оно справедливо для всей области отрицательных значений (ω-ω₀). Параметры элементов генератора с электромеханическим частотозадающим резонатором могут иметь следующие значения: Q>10³; резонансная частота резонатора f₀ от десятков до сотен кГц; τ₂<10^-6 c. Для указанных значений перечисленных параметров модуль суммарного коэффициента передачи |К_∑| при малых значениях (ω-ω₀) может быть представлен выражением:

Коэффициент передачи усилителя 9 для обеспечения условий генерации должен удовлетворять условию:

При соединении выхода усилителя 9 (точка 10) с общей точкой соединения электромеханического преобразователя 1 и конденсатора 2 (точка 11) после подключения источника питания в системе электромеханический резонатор, дифференциальный каскад, усилитель возникают колебания (при обеспечении условия (33)) на частоте, близкой к резонансной с относительной расстройкой .

Практическая реализация генератора осуществлена с использованием микросхем типа 564ЛН2, частотозадающий силочувствительный резонатор с электромеханическим преобразователем пьезоэлектрического типа; параметры резонатора R_к≈10⁶ Ом, С₀≈0,8 пФ, Q=(4÷7)·10³, значения резисторов R₁=10 кОм, R₂=100 кОм, С₂=160 пФ. Работоспособность указанного выше генератора подтверждена испытаниями опытных образцов; генератор используется в датчике измерения механических параметров.

Генератор, содержащий частотозадающий резонатор с электромеханическим преобразователем пьезоэлектрического или электростатического типа, первый конденсатор, усилитель, выход которого соединен с первыми выводами электромеханического преобразователя и первого конденсатора, первый и второй резисторы, первые выводы которых соединены со вторыми выводами электромеханического преобразователя и первого конденсатора соответственно, дифференциальный каскад, выполненный на двух МОП-транзисторах, сток первого из которых соединен с истоком второго с образованием общей точки, которая является выходом дифференциального каскада и соединена с входом усилителя, исток первого и сток второго МОП-транзисторов соединены с источником питания, стоки первого и второго МОП-транзисторов соединены со вторыми выводами первого и второго резисторов соответственно, первые выводы которых соединены с затворами первого и второго МОП-транзисторов соответственно, отличающийся тем, что введен второй конденсатор, первый вывод которого соединен с затвором второго МОП-транзистора и вторым выводом первого конденсатора, а второй вывод второго конденсатора соединен с источником питания, второй вывод электромеханического преобразователя соединен с затвором первого МОП-транзистора, при этом усилитель выполнен инвертирующим.