RC генераторы

RC генераторы — это генераторы в которых в качестве частотно задающего элемента используются сопротивления и конденсаторы. RC генераторы позволяют получить самые дешевые и малогабаритные генераторы. Кроме того они могут перестраиваться по частоте в широких пределах. Это обусловило широкое распространение RC генераторов в цифровой технике.

В настоящее время большинство микроконтроллеров, вычислительных и сигнальных процессоров используют RC генераторы для своего тактирования. При этом они реализуются как в виде калиброванных генераторов на фиксированную частоту, так и как составляющая часть цепей фазовой автоподстройки частоты (PLL).

Следует отметить, что для тактирования цифровых устройств нужны генераторы прямоугольных импульсов. Кроме того, генератор желательно выполнить на логических элементах. В качестве подобной схемы RC генератора можно привести мультивибратор, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема RC-генератора (мультивибратора) на логических элементах

В этой схеме частота выходных импульсов зависит от значений элементов R1, C1 и R2, C2. Соотношение между RC цепочками позволяет регулировать скважность выходных импульсов, однако в большинстве случаев соотношение между длительностью нулевого и единичного потенциала в выходном колебании не интересует разработчиков цифровой аппаратуры. Поэтому схему RC генератора можно упростить, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема RC генератора тактовых импульсов для цифрового устройства

При применении в RC генераторе КМОП микросхемы выходные токи нуля и единицы будут равны и форма напряжения на выходе мультивибратора будет близка к меандру (длительность нулевого и единичного сигнала равны). Пороговое напряжение переключения напряжения инвертора составляет половину напряжения питания.

В настоящее время логические элементы занимают очень маленькую площадь на печатной плате. Часто логический элемент такой как, например, SN74LVC1G04 размещается в корпусе транзистора. Временные диаграммы на входе и выходах логических инверторов RC генератора приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Временные диаграммы сигналов на выводах инверторов мультивибратора

Переключение первого инвертора из единичного состояния в нулевое и наоборот будет происходить при достижении напряжения на входе значения половины питания. Это произойдет за время, описываемое следующим выражением:

0,5U_п = U_п·e^−t₁/RC

Отсюда можно выразить время половины периода колебания RC генератора:

t₁ = −R·C·ln(0,5) = 0,69·RC.

Полный период, соответственно будет равен:

T = t₁+t₂ = 1,4·RC,

что соответствует частоте выходных колебаний генератора:

f = 0,72/R·C

Из данного выражения видно, что частота генератора определяется значением сопротивления R1 и конденсатора C1. Большую емкость трудно сделать в интегральном исполнении, поэтому обычно ее задают в пределах 30 ... 50 пФ. Конкретное значение частоты RC генератора будет определяться сопротивлением резистора R1. В интегральном исполнении в качестве этого резистора используют полевой транзистор.

Учитывая, что в современных цифровых микросхемах тактовая частота составляет единицы гигагерц, встроенные RC генераторы пока не имеют альтернатив (активно развиваются MEMS технологии). Именно на таких частотах (от 100 МГЦ до 10 ГГц) работают встроенные в микропроцессоры, системы на кристалле и FPGA RC-генераторы.

В ряде случаев нужно регулировать частоту RC генератора. Полевой транзистор позволяет изменять сопротивление от сотен Ом до единиц мегаом, что приводит к изменению частоты в десятки тысяч раз. Это очень удобно для изменения энергопотребления цифровых устройств. Принципиальная схема тактового генератора, управляемого напряжением, приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема RC генератора, управляемого напряжением

В схеме RC-генератора, приведенной на рисунке 4, на транзисторах VT2, VT3 и VT4, VT5 собраны логические инверторы, а МОП транзистор VT1 служит управляемым сопротивлением, при помощи которого изменяется частота на выходе RC генератора. Как видно из рисунка 4, схема ГУН получилась очень простой и занимающей на кристалле очень маленькую площадь. Это позволяет применять ее в составе систем тактовой синхронизации большинства современных цифровых микросхем, построенных по схеме фазовой автоподстройки частоты.

Дата последнего обновления файла 19.04.2019