Високочастотна кмон інтегральна схема для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти

Реферат: Винахід належить до генераторів, що стабілізовані кварцовим резонатором, і може бути широко використаний в різних радіоелектронних виробах (телефонія, РЛС, атомна енергетика, медична діагностична апаратура і т.д.) для генерації імпульсів потрібної частоти. Високочастотна КМОН інтегральна схема для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти має в своєму складі: інверсний підсилювач коливань, конденсатори, шину ″земля″, інверсний підсилювач коливань, резистор зворотного зв'язку, інверсний підсилювач-формувач імпульсів, схему 3-станового UA 101321 C2 (12) UA 101321 C2 вихідного буфера, схему формування сигналів для керування функцією трьох станів вихідного буфера, резистор R, шину джерела живлення UCC , два послідовно з'єднаних між собою інвертори схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів вихідного буфера, та два n-канальних транзистора. Технічним результатом винаходу є зменшення вихідної потужності та зменшення ємнісного навантаження каскадів схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів вихідного буфера. UA 101321 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до тактових або простих кварцових генераторів, тобто до генераторів, що стабілізовані кварцовим резонатором, і які мають температурно-частотну характеристику, яка в основному визначається кварцовим резонатором, що використовується для стабілізації частоти. Відома високочастотна КМОН інтегральна схема для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти, що має в своєму складі інверсний підсилювач коливань, які стабілізовані кварцовим резонатором, і підсилювач-формувач імпульсів-вихідний каскад [1]. Недоліком цього технічного рішення є відсутність функції трьох станів вихідного каскаду, що обмежує область застосувань цього технічного рішення. Найбільш близьким технічним рішенням до винаходу, що пропонується, і тому вибраний за прототип, є високочастотна ІС для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти, яка має в своєму складі інверсний підсилювач коливань, які стабілізовані кварцовим резонатором, резистор зворотного зв'язку, інверсний підсилювач-формувач імпульсів, схему 3-станового вихідного буфера, а також схему формування сигналу для керування функцією трьох станів вихідного буфера [2]. Одним з недоліків технічного рішення є те, що вхідний каскад прототипу, виконаний як двовхідний інверсний підсилювач коливань і побудований по схемі 2І-НІ, що потребує більшої потужності цього інверсного підсилювача коливань в порівнянні із схемою простого інвертора при одному і тому ж коефіцієнті підсилення цього вхідного каскаду високочастотної КМОН інтегральної схеми (інверсного підсилювача коливань). Величина вихідної потужності вхідного каскаду (інверсного підсилювача коливань) високочастотної КМОН інтегральної схеми впливає на потужність розсіювання кварцового резонатора, а, значить, і на відхилення частоти генератора від номінального значення (температурна нестабільність частоти), а також на старіння (довготермінова нестабільність частоти) кварцових генераторів. Недоліком цього технічного рішення є також те, що вихідний інвертор схеми формування сигналу для керування функцією трьох станів вихідного буфера одночасно підключений до одного з двох входів інверсного підсилювача коливань та до одного з двох входів схеми 3станового вихідного буфера. При такому підключенні вихідний інвертор схеми формування сигналу для керування функцією трьох станів вихідного буфера має значне ємнісне навантаження і має бути або потужним, щоб забезпечити швидкий перехід високочастотної ІС для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти з робочого режиму в третій стан і навпаки - швидкий перехід з третього стану в робочий режим, або при недосить великій потужності цього вихідного інвертора схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів вихідного буфера має місце відносно значна тривалість переходу високочастотної КМОН ІС для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти з робочого режиму в третій стан і навпаки. Тривалість переходу високочастотної КМОН ІС для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти з робочого режиму в третій стан і навпаки має істотне значення в системах, де багато генераторів з різними частотами генерації почергово працюють на одне і те ж ємнісне навантаження і є при цьому потреба швидкого переключення з однієї робочої частоти на іншу (потреба швидкого відключення "робочого" генератора і швидкого введення в роботу іншого генератора). В основу винаходу поставлена задача як вдосконалення вхідного каскаду високочастотної КМОН інтегральної схеми (інверсного підсилювача коливань) з метою зменшення його вихідної потужності, так і вдосконалення схеми формування сигналу для керування функцією трьох станів шляхом гальванічної розв'язки другого входу інверсного підсилювача коливань і другого входу 3-станового вихідного буфера та подачі на них керуючих сигналів з двох різних каскадів схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів вихідного буфера з метою зменшення ємнісного навантаження цих каскадів і, в результаті, зменшення тривалості переходу високочастотної КМОН ІС з робочого режиму в третій стан і навпаки. Поставлена задача вирішується тим, що в високочастотній КМОН інтегральній схемі для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти, яка має в своєму складі: інверсний підсилювач коливань, які стабілізовані кварцовим резонатором, що підключається до входів високочастотної КМОН інтегральної схеми XT , XT, до яких відповідно приєднані першими виводами конденсатори Cd і Cg, що своїми другими виводами підключені до шини "Земля", причому до входу інверсного підсилювача коливань, підключено перший вивід резистора зворотного зв'язку, а другий вивід резистора зворотного зв'язку разом з шиною, що з'єднана із входом XT , а також з конденсатором Cd, підключено до виходу інверсного підсилювача коливань, який з'єднаний із входом інверсного підсилювача-формувача імпульсів, вихід якого 1 UA 101321 C2 підключено до першого із двох входів схеми 3-станового вихідного буфера, вихід якого з'єднаний з вихідним виводом FOUT високочастотної КМОН інтегральної схеми, причому, другий вхід схеми 3-станового вихідного буфера підключено до другого виходу схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів вихідного буфера, вхід якої об'єднано із входом 5 10 15 20 25 IN високочастотної КМОН інтегральної схеми і з першим виводом резистора, другий вивід якого підключено до шини джерела живлення U CC, а також із входом першого із двох послідовно з'єднаних між собою інверторів схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів вихідного буфера, відповідно до винаходу, вихід другого інвертора, який є одночасно першим виходом схеми формування сигналів, підключено до затвора першого n-канального транзистора, витік якого приєднано до вузла з'єднання входу XT і конденсатора Cg, підкладка підключена до шини "земля", а стік приєднано до загального вузла з'єднання першого виводу резистора зворотного зв'язку, входу інверсного підсилювача коливань, а також до стоку другого n-канального транзистора, витік і підкладка якого з'єднані з шиною "земля", а затвор його підключено до загального вузла з'єднання другого входу схеми 3-станового вихідного буфера і виходу повторювача сигналів, що є одночасно другим виходом схеми формування сигналу для керування функцією трьох станів схеми вихідного буфера, при цьому, вхід повторювача сигналів приєднано до загального вузла з'єднання виходу першого інвертора із входом другого інвертора. Саме таке поєднання відомих та невідомих суттєвих ознак загального обсягу патентних домагань дозволяє одержати бажаний технічний результат. На кресленні представлена функціональна електрична схема високочастотної КМОН інтегральної схеми для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти. Високочастотна КМОН інтегральна схема для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти має в своєму складі інверсний підсилювач коливань 1, які стабілізовані кварцовим резонатором 2. Кварцовий резонатор 2 підключається до входів високочастотної КМОН інтегральної схеми XT 3, XT 4, до яких відповідно приєднані першими виводами конденсатори Cd 5 і Cg 6, що своїми другими виводами підключені до шині "Земля" 7. До входу інверсного підсилювача коливань 1 підключено перший вивід резистора зворотного зв'язку 8. Другий вивід 30 35 40 45 50 резистора зворотного зв'язку 8 разом із шиною 9, що з'єднується із входом XT 3, а також із конденсатором Cd 5, підключено до виходу інверсного підсилювача коливань 1. Вихід інверсного підсилювача коливань 1, з'єднаний із входом інверсного підсилювача-формувача імпульсів 10, вихід якого підключено до першого входу 3-станового вихідного буфера 11. Вихід 3-станового вихідного буфера з'єднано з вихідним виводом F OUT 12 високочастотної КМОН інтегральної схеми. Вхід IN 13 високочастотної КМОН інтегральної схеми, об'єднаний із першим виводом резистора 14, другий вивід якого підключено до шини джерела живлення U CC 15, приєднано в схемі формування сигналів для керування функцією трьох станів 16 вихідного 3-станового буфера 11 до входу першого 17 із двох послідовно з'єднаних між собою інверторів. Вихід другого інвертора 18, який є одночасно першим виходом 19 схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів 16, підключено до затвору першого n-канального транзистора 20, витік якого приєднано до вузла з'єднання входу ХТ4 і конденсатора Cg 6, підкладка підключена до шини "Земля" 7, а стік приєднано до загального вузла з'єднання першого виводу резистора зворотного зв'язку 8, входу інверсного підсилювача коливань 1, а також до стоку другого n-канального транзистора 21, витік і підкладка якого з'єднані з шиною "Земля" 7. Затвор другого n-канального транзистора 21 підключено до загального вузла з'єднання другого входу схеми 3-станового вихідного буфера 11 і виходу повторювача сигналів 22, що є одночасно другим виходом 23 схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів 16 вихідного буфера 11. Вхід повторювача сигналів 22 приєднано до загального вузла з'єднання виходу першого інвертора 17 із входом другого інвертора 18. Високочастотна КМОН інтегральна схема для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти працює в такий спосіб. При наявності постійної позитивної напруги на шині джерела живлення Ucc 15, а також при подачі при цьому сигналу позитивної напруги на вхід IN 13 (робочий режим високочастотної 55 КМОН IС для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти) і при підключеному до входів XT 3 XT 4 кварцовому резонаторі 2 інверсний підсилювач коливань 1 підсилює стабілізовані кварцовим резонатором 2 вхідні сигнали частоти генератора, зумовленої як параметрами кварцового резонатора, резистора зворотного зв'язку 8, конденсаторів Cg 6, Cd 5, так і 2 UA 101321 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 конструктивними ємностями діодів захисту входів XT 3 XT 4 від статичної електрики, електрозавод та перевищення режимів електроживлення, а також конструктивними ємностями першого 20 та другого 21 n-канальних транзисторів, елементів самого інверсного підсилювача коливань 1 і послідовно зв'язаного з ним інверсного підсилювача - формувача імпульсів 10. В режимі роботи високочастотної КМОН IС для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти відповідно високого та низького рівнів вихідні сигнали першого 19 та другого 23 виходів схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів 16 вихідного буфера 11 дозволяють проходженню сигналів генеруючої частоти послідовно через перший n-канальний транзистор 20, інверсний підсилювач коливань 1, інверсний підсилювач - формувач імпульсів 10 і 3-становий вихідний буфер 11 на вихід FOUT 12 високочастотної КМОН інтегральної схеми. Через те, що сигнал генеруючої частоти, який потрапляє на вхід схеми 3-станового вихідного буфера 11, не змінює полярності на виході цієї схеми, то, в результаті, сигнал генеруючої частоти, що потрапляє в режим роботи високочастотної КМОН IС через відкритий перший n-канальний транзистор на вхід інверсного підсилювача коливань 1, має ту ж саму полярність і на виході Fout 12 високочастотної КМОН інтегральної схеми з кварцовою стабілізацією частоти. При подачі на вхід IN 13 сигналу низького рівня високочастотна КМОН IС переходить в режим 3-го стану. В режимі третього стану високочастотної КМОН IС проходження сигналів генеруючої частоти будь-якої полярності на вихід FOUT 12 блокується одночасно як в інверсному підсилювачі коливань 1, так і в схемі 3-станового вихідного буфера 11, відповідно низьким та високим рівнями сигналів з першого 19 та з другого 23 виходів схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів 16 вихідного буфера 11. При подачі сигналу позитивної напруги на вхід IN 13 високочастотна КМОН IС для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти знову переходить в робочий режим. Таким чином, запропонована високочастотна КМОН IС для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти забезпечує, в порівнянні з прототипом як зменшення вихідної потужності вхідного каскаду (інверсного підсилювача коливань 1) при одному і тому ж коефіцієнті підсилення завдяки заміні схеми 2І-НЕ вхідного каскаду простим інвертором, так і зменшення тривалості переходів високочастотної КМОН IС з робочого режиму в режим третього стану і навпаки, завдяки гальванічній розв'язці других входів інверсного підсилювача коливань і схеми 3-станового вихідного буфера і перетворенню схеми формування одного сигналу в схему формування двох сигналів для керування функцією трьох станів вихідного буфера. Запропонована високочастотна КМОН IС може бути виконана у вигляді інтегральної напівпровідникової схеми на основі доповнюючих транзисторів за технологією кремнієвих структур з діелектричною ізоляцією. Джерела інформації: 1. Hans Camenzind: Designing Analog Chips. Chapter 11: Times and Oscillators www.designinganalogchips.com 2. New Japan Radio Co. Ltd. NJU6397 Series Over Tone Quartz Crystal Oscillator for 135 MHz 2002.07.15 (прототип) 3. New Japan Radio Co. Ltd. NJU6311 Quartz Crystal Oscillator IС with Selectable Divider. 2003.08.19 4. New Japan Radio Co. Ltd. NJU6323 Series ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Високочастотна КМОН інтегральна схема для генераторів з кварцовою стабілізацією частоти, яка має в своєму складі: інверсний підсилювач коливань, які стабілізовані кварцовим резонатором, резонатор підключений до входів високочастотної КМОН інтегральної схеми ХТ , ХТ , до яких відповідно приєднані першими виводами конденсатори Cd і Cg , що своїми другими виводами підключені до шини "земля", причому до входу інверсного підсилювача коливань підключено перший вивід резистора зворотного зв'язку, а другий вивід резистора зворотного зв'язку разом з шиною, що з'єднана із входом ХТ , а також з конденсатором Cd , підключено до виходу інверсного підсилювача коливань, який з'єднаний із входом інверсного підсилювачаформувача імпульсів, вихід якого підключено до першого із двох входів схеми 3-станового вихідного буфера, вихід якого з'єднаний з вихідним виводом FOUT високочастотної КМОН інтегральної схеми, причому другий вхід схеми 3-станового вихідного буфера підключено до другого виходу схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів вихідного 3 UA 101321 C2 5 10 буфера, вхід якої об'єднано із входом IN високочастотної КМОН інтегральної схеми і з першим виводом резистора R, другий вивід якого підключено до шини джерела живлення UCC , а також із входом першого із двох послідовно з'єднаних між собою інверторів схеми формування сигналів для керування функцією трьох станів вихідного буфера, яка відрізняється тим, що вихід другого інвертора, який є одночасно першим виходом схеми формування сигналів, підключено до затвора першого n-канального транзистора, витік якого приєднано до вузла з'єднання входу ХТ і конденсатора Cg , підкладка підключена до шини "земля", а стік приєднано до загального вузла з'єднання першого виводу резистора зворотного зв'язку, входу інверсного підсилювача коливань, а також до стоку другого n-канального транзистора, витік і підкладка якого з'єднані з шиною "земля", а затвор його підключено до загального вузла з'єднання другого входу схеми 3-станового вихідного буфера і виходу повторювача сигналів, що є одночасно другим виходом схеми формування сигналу для керування функцією трьох станів схеми вихідного буфера, при цьому вхід повторювача сигналів приєднано до загального вузла з'єднання виходу першого інвертора із входом другого інвертора. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4