широкодиапазонный генератор, управляемый напряжением

Формула изобретения

Широкодиапазонный генератор, управляемый напряжением, содержащий схему управления динамическими нагрузками, включающую операционный усилитель и первый транзистор, источник опорного напряжения, первый источник тока и ядро широкодиапазонного генератора, включающее второй источник тока, третий источник тока, первый конденсатор, второй транзистор, третий транзистор, четвертый транзистор и пятый транзистор, затвор четвертого транзистора соединен со стоком пятого транзистора, затвор пятого транзистора соединен со стоком четвертого транзистора, первый конденсатор соединен между истоком четвертого транзистора и истоком пятого транзистора, выход операционного усилителя соединен с затвором первого транзистора, с затвором второго транзистора и с затвором третьего транзистора, отличающийся тем, что дополнительно введены компаратор с шестым транзистором, седьмым транзистором, восьмым транзистором, девятым транзистором, буферный усилитель, причем первый транзистор, второй транзистор, третий транзистор выполнены р-канальными, а в ядро широкодиапазонного генератора дополнительно введен второй конденсатор, параллельно соединенный с первым конденсатором, при этом первый источник тока, второй источник тока и третий источник тока выполнены управляемыми и входы управления первого источника тока, второго источника тока и третьего источника тока соединены с четвертым выводом, инвертирующий вход операционного усилителя соединен через источник опорного напряжения со вторым выводом, исток первого транзистора соединен со вторым выводом, сток первого транзистора соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и через первый источник тока соединен с первым выводом, исток четвертого транзистора через второй источник тока соединен с первым выводом, исток пятого транзистора соединен через третий источник тока с первым выводом, при этом сток второго транзистора соединен со стоком четвертого транзистора, сток третьего транзистора соединен со стоком пятого транзистора, исток второго транзистора и исток третьего транзистора соединены со вторым выводом, причем сток шестого транзистора и сток седьмого транзистора соединены со вторым выводом, исток шестого транзистора соединен со стоком восьмого транзистора, затвор восьмого транзистора соединен с затвором девятого транзистора и соединен со стоком восьмого транзистора, исток восьмого транзистора и исток девятого транзистора соединены с первым выводом, при этом затвор шестого транзистора соединен со стоком второго транзистора, затвор седьмого транзистора соединен со стоком третьего транзистора, вход буферного усилителя соединен с истоком седьмого транзистора и со стоком девятого транзистора, а выход буферного усилителя соединен с третьим выводом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронный технике и может быть использовано в схемах синтеза частоты, генераторах общего назначения, в частности, в канале восстановления данных в проигрывателях компакт-дисков (CD) и в проигрывателях дисков общего применения (DVD).

Генератор, управляемый напряжением (ГУН), является одним из основных и наиболее ответственных элементов канального декодера данных оптического накопителя (CD, DVD). К генератору предъявляется комплекс требований: широкий диапазон перестройки, высокая линейность перестройки в этом диапазоне, высокая стабильность, малый джиттер.

Известен широкодиапазонный генератор, описанный в статье «А 50% Power Reduction Scheme for CMOS Relaxation Oscillator», Byung Joon Song, Hwicheon Kim, Youngdon Choi, and Wonchan Kim School of Electrical Engineering, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea.

Ядро широкодиапазонного генератора состоит из двух транзисторов и конденсатора, включенного между истоками этих транзисторов. Перекрестная связь между транзисторами гарантирует включение только одного из транзисторов. Нагрузкой генератора являются два равных транзистора, которые работают в триодной зоне и могут рассматриваться приблизительно как линейные резисторы. Операционный усилитель управляет режимом работы нагрузочных транзисторов таким образом, чтобы стабилизировать амплитуду выходного сигнала ядра широкодиапазонного генератора при перестройке частоты широкодиапазонного генератора.

Недостаток данного широкодиапазонного генератора заключается в синусоидальном выходе, который невозможно использовать в цифровой технике.

Наиболее близким аналогом-прототипом по техническому решению к заявляемому изобретению является схема CMOS широкодиапазонного генератора, описанная в патенте US №6720836, МКИ⁷: Н03К 3/282, опубл. 13.04.2004 г.

Схема CMOS широкодиапазонного генератора содержит схему управления динамическими нагрузками, включающую операционный усилитель и первый транзистор, источник опорного напряжения, первый источник тока и ядро широкодиапазонного генератора, включающее второй источник тока, третий источник тока, первый конденсатор, второй транзистор, третий транзистор, четвертый транзистор и пятый транзистор. Затвор четвертого транзистора соединен со стоком пятого транзистора, затвор которого соединен со стоком четвертого транзистора. Первый конденсатор соединен между истоком четвертого транзистора и истоком пятого транзистора. Выход операционного усилителя соединен с затвором первого транзистора, с затвором второго транзистора и с затвором третьего транзистора.

Недостаток CMOS релаксационного генератора заключается в синусоидальном выходе, который невозможно использовать в цифровой технике, а также в ограничении рабочего диапазона напряжения питания генератора, вызванного применением n-канальных транзисторов в качестве элементов динамической нагрузки генератора.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в максимальном увеличении диапазона перестройки, линейности перестройки широкодиапазонного генератора, управляемого напряжением, уменьшении величины напряжения питания, а также в формировании выходного цифрового сигнала со стандартными логическими уровнями.

Технический результат достигается тем, что в широкодиапазонный генератор, управляемый напряжением, содержащий схему управления динамическими нагрузками, включающую операционный усилитель и первый транзистор, источник опорного напряжения, первый источник тока и ядро широкодиапазонного генератора, включающее второй источник тока, третий источник тока, первый конденсатор, второй транзистор, третий транзистор, четвертый транзистор и пятый транзистор, затвор четвертого транзистора соединен со стоком пятого транзистора, затвор пятого транзистора соединен со стоком четвертого транзистора, первый конденсатор соединен между истоком четвертого транзистора и истоком пятого транзистора, выход операционного усилителя соединен с затвором первого транзистора, с затвором второго транзистора и с затвором третьего транзистора, дополнительно введены компаратор с шестым транзистором, седьмым транзистором, восьмым транзистором, девятым транзистором, буферный усилитель, причем первый транзистор, второй транзистор, третий транзистор выполнены p-канальными, а в ядро широкодиапазонного генератора дополнительно введен второй конденсатор, параллельно соединенный с первым конденсатором, при этом первый источник тока, второй источник тока и третий источник тока выполнены управляемыми и входы управления первого источника тока, второго источника тока и третьего источника тока соединены с четвертым выводом, инвертирующий вход операционного усилителя соединен через источник опорного напряжения со вторым выводом, исток первого транзистора соединен со вторым выводом, сток первого транзистора соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и через первый источник тока соединен с первым выводом, исток четвертого транзистора через второй источник тока соединен с первым выводом, исток пятого транзистора соединен через третий источник тока с первым выводом, при этом сток второго транзистора соединен со стоком четвертого транзистора, сток третьего транзистора соединен со стоком пятого транзистора, исток второго транзистора и исток третьего транзистора соединены со вторым выводом, причем сток шестого транзистора и сток седьмого транзистора соединены со вторым выводом, исток шестого транзистора соединен со стоком восьмого транзистора, затвор восьмого транзистора соединен с затвором девятого транзистора и соединен со стоком восьмого транзистора, исток восьмого транзистора и исток девятого транзистора соединены с первым выводом, при этом затвор шестого транзистора соединен со стоком второго транзистора, затвор седьмого транзистора соединен со стоком третьего транзистора, вход буферного усилителя соединен с истоком седьмого транзистора и со стоком девятого транзистора, а выход буферного усилителя соединен с третьим выводом.

Изобретение поясняется графическими материалами, описанием и примерами конкретного исполнения.

На приведенном чертеже показан вариант схемотехники широкодиапазонного генератора, управляемого напряжением с линейной характеристикой перестройки частоты.

На чертеже приняты следующие обозначения:

1 - схема управления динамическими нагрузками - реплика;

2 - ядро широкодиапазонного генератора, управляемого напряжением;

3 - схема преобразования дифференциального сигнала в однополярный сигнал - компаратор;

4 - буферный усилитель (схема обострения фронтов);

5 - первый вывод;

6 - второй вывод;

7 - третий вывод;

8 - четвертый вывод;

9 - операционный усилитель;

10 - первый транзистор;

11 - первый источник тока;

12 - второй источник тока;

13 - третий источник тока;

14 - первый конденсатор;

15 - второй конденсатор;

16 - второй транзистор;

17 - третий транзистор;

18 - четвертый транзистор;

19 - пятый транзистор;

20 - шестой транзистор;

21 - седьмой транзистор;

22 - восьмой транзистор;

23 - девятый транзистор;

24 - источник опорного напряжения.

Широкодиапазонный генератор содержит схему управления динамическими нагрузками 1, ядро генератора 2, схему преобразования дифференциального сигнала в однополярный сигнал, то есть компаратор 3, схему обострения фронтов, включающий буферный усилитель 4.

Схема управления динамическими нагрузками 1 включает операционный усилитель 9 и первый транзистор 10. Выход операционного усилителя 9 соединен с затвором первого транзистора 10, с затвором второго транзистора 16 и с затвором третьего транзистора 17. Инвертирующий вход операционного усилителя 9 соединен через источник опорного напряжения 24 со вторым выводом 6. Сток первого транзистора 10 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 9 и через первый источник тока 11 соединен с первым выводом, а исток первого транзистора 10 соединен со вторым выводом 6. Затвор четвертого транзистора 18 соединен со стоком пятого транзистора 19, а затвор пятого транзистора 19 соединен со стоком четвертого транзистора 18.

Ядро генератора 2 содержит второй источник тока 12, третий источник тока 13, задающие диапазон частоты генерации первый конденсатор 14 и второй конденсатор 15 параллельно соединены между собой. Второй источник тока 12 и третий источник тока 13 соединены с включенными параллельно первым конденсатором 14 и со вторым конденсатором 15, и с истоком четвертого транзисторам 18, и с истоком пятого транзистора 19 соответственно. Исток четвертого транзистора 18 через второй источник тока 12 и исток пятого транзистора 19 через третий источник тока 13 соединены с первым выводом 5. Сток второго транзистора 16 соединен со стоком четвертого транзистора 18. Сток третьего транзистора 17 соединен со стоком пятого транзистора 19. Исток второго транзистора 16 и исток третьего транзистора 17 соединены со вторым выводом 6. Входы управления первого источника тока 11, второго источника тока 13 соединены с четвертым выводом 8.

Компаратор 3 - схема преобразования дифференциального сигнала в однополярный сигнал - содержит четыре транзистора: шестой транзистор 20, седьмой транзистор 21, восьмой транзистор 22, девятый транзистор 23 и буферный усилитель 4. Сток шестого транзистора 20 и сток седьмого транзистора 21 соединены со вторым выводом 6. Исток шестого транзистора 20 соединен со стоком восьмого транзистора 22, затвор которого соединен с затвором девятого транзистора 23 и соединен со стоком восьмого транзистора 22. Исток восьмого транзистора 22 и исток девятого транзистора 23 соединены с первым выводом 5. Затвор шестого транзистора 20 соединен со стоком второго транзистора 16, а затвор седьмого транзистора 21 соединен со стоком третьего транзистора 17. Вход буферного усилителя 4 соединен с истоком седьмого транзистора 21 и со стоком девятого транзистора 23, а выход буферного усилителя 4 соединен с третьим выводом 7.

Работа широкодиапазонного генератора осуществляется следующим образом.

После подачи положительного напряжения на второй вывод 6 относительно первого вывода 5 широкодиапазонного генератора, управляемого напряжением, происходит вынужденная генерация частоты, которая задается по формуле:

Fosc=Idc2/(4[C1+C2]·Vthn)=Idc3/(4[C1+C2]·Vthn),

где Fosc - частота генерации;

Idc2 - задающий ток второй источник тока 12;

Idc3 - задающий ток третий источник тока 13;

C1 - задающая генерацию емкость первого конденсатора 14;

С2 - задающая генерацию емкость второго конденсатора 15;

Vthn - пороговое напряжение четвертого транзистора 18 и пятого транзистора 19 (определяется технологическим процессом).

Разбитая на две части (топологически) задающая емкость обеспечивает максимальную симметричность выходных сигналов из генератора, обеспечивая этим самым скважность импульсного сигнала на выходе, равную 2.

Генерация осуществляется путем перезарядки емкостей первого конденсатора 14 и второго конденсатора 15.

На шестом транзисторе 20, седьмом транзисторе 21, восьмом транзисторе 22 и девятом транзисторе 23 собрана схема преобразования дифференциального выходного сигнала ядра широкодиапазонного генератора 2 в однополярный сигнал - компаратор 3.

Схема обострения фронтов, включающая буферный усилитель 4, предназначена для формирования сигнала на выходе 7 в соответствии с цифровым стандартом CMOS.

Заявляемое изобретение позволяет получить:

1) возможность перестройки частоты генерации;

2) симметрирование выходного сигнала;

3) возможность работы при низких напряжениях питания (3,3 В и ниже);

4) формирование сигнала со стандартными логическими уровнями.

Режим работы операционной схемы задается источником опорного напряжения Vref 24, его же величина определяет амплитуду выходного дифференциального сигнала на выходах ядра широкодиапазонного генератора 2, управляемого напряжением. Действие операционной схемы направлено на то, чтобы при перестройке генератора по частоте таким образом управлять нагрузками генератора (второй транзистор 16 и третий транзистор 17), чтобы их динамическое сопротивление обеспечивало постоянство амплитуды выходного сигнала при перестройке широкодиапазонного генератора, управляемого напряжением. Одновременно предложенная схемотехника способствует расширению частотного диапазона работы генератора и линеаризации его характеристики.

Широкодиапазонный генератор, управляемый напряжением с линейной передаточной характеристикой является одним из основных и наиболее ответственных элементов канального декодера данных оптического накопителя.

Заявляемый широкодиапазонный генератор позволяет получить:

- широкий диапазон перестройки;

- высокую линейность характеристики в этом диапазоне;

- высокую стабильность;

- малый джиттер;

- способность работать при низких значениях напряжения питания;

- цифровой выходной сигнал со стандартными логическими уровнями.