具有方波輸出的快速倍頻器

為了擴(kuò)展工作頻率范圍，我需要從一個(gè)非?？焖俚膯斡|發(fā)電路開(kāi)始。由于無(wú)法購(gòu)買合適的設(shè)備，我設(shè)計(jì)了一個(gè)類似于無(wú)處不在的 555 計(jì)時(shí)器的設(shè)備，但具有更快的組件。快速異或門、快速比較器、快速觸發(fā)器和快速放電晶體管是性的主要組件。該性電路的工作頻率高達(dá) 50 MHz（甚至可能更高）。

因此，我開(kāi)始思考和研究擴(kuò)展近發(fā)布的方波倍頻器電路的頻率范圍的可能方法。
為了擴(kuò)展工作頻率范圍，我需要從一個(gè)非?？焖俚膯斡|發(fā)電路開(kāi)始。由于無(wú)法購(gòu)買合適的設(shè)備，我設(shè)計(jì)了一個(gè)類似于無(wú)處不在的 555 計(jì)時(shí)器的設(shè)備，但具有更快的組件。快速異或門、快速比較器、快速觸發(fā)器和快速放電晶體管是性的主要組件。該性電路的工作頻率高達(dá) 50 MHz（甚至可能更高）。
我使用的比較器是德州儀器 (TI) 的 TLV3501，以軌到軌（輸入和輸出）運(yùn)行，驅(qū)動(dòng) 17 pF 時(shí)的典型傳播延遲為 4.5 ns（值 6.4 ns）。
它是我的電路中使用的昂貴的組件（每 1000 個(gè)數(shù)量為 1.62 美元），但它速度快、價(jià)格合理且容易獲得。其他組件價(jià)格便宜、速度快且廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)。（MMBT2369 是 2N2369 的表面貼裝版本，其歷史可以追溯到 20 世紀(jì) 60 年代初期，但速度相當(dāng)快且價(jià)格便宜。）
當(dāng)驅(qū)動(dòng)幾皮法電容時(shí)，74LVC1Gxx 部件的傳播延遲時(shí)間約為 1 ns，并且它們可以在 5 V 電源電壓下運(yùn)行（這是我的偏好）。我使用了 TLV9052 雙運(yùn)算放大器，它具有無(wú)限的輸入阻抗（好吧，幾乎），并且可以軌到軌、輸入和輸出運(yùn)行。74LVC1G86 XOR 門很方便，因?yàn)樗梢杂米鞣聪嗥骰蚓彌_器，我使用了其中的幾個(gè)。
電路工作的簡(jiǎn)單描述：負(fù)反饋強(qiáng)制超快單觸發(fā)產(chǎn)生 50% 占空比方波輸出。為了方便測(cè)試，我在輸入端添加了一個(gè) 50 歐姆終端和一個(gè)緩沖器/方波器，在輸出端添加了一個(gè) 50 歐姆驅(qū)動(dòng)器。
詳細(xì)描述（圖 1）： 50% 占空比方波是異或門 U3（通過(guò) U7）的輸入，導(dǎo)致 U5 的 2 ns 脈沖輸出應(yīng)用于翻轉(zhuǎn)的 /S 輸入-翻牌，U2。觸發(fā)器的 /Q 輸出變低并關(guān)閉放電晶體管 Q3，從而允許定時(shí)電容器 C4 開(kāi)始充電。Q3 的輸出是一個(gè)斜坡電壓，通過(guò) R1 施加到比較器 U1 的反相輸入端。當(dāng)電壓斜坡達(dá)到 R4 和 R5 設(shè)置的參考電壓時(shí)，比較器的輸出變低。這會(huì)重置觸發(fā)器，導(dǎo)致放電晶體管導(dǎo)通并對(duì)定時(shí)電容器 C4 放電，然后重復(fù)該循環(huán)。

圖 1超快單觸發(fā)電路通過(guò)負(fù)反饋強(qiáng)制產(chǎn)生 50% 占空比方波輸出。

C4 的充電電流由 Q1 和相關(guān)組件提供。充電電流由運(yùn)放 U6A 的負(fù)反饋控制，這迫使單觸發(fā)產(chǎn)生占空比為 50% 的方波，該方波經(jīng)過(guò)低通濾波后，會(huì)產(chǎn)生正好 2.5 V 的直流電壓（如果電源電壓正好是5V）。R18 和 R19 的容差將決定該電壓的程度。
U6B 及其相關(guān)組件提供的參考電壓通過(guò)精密（或匹配）電阻器 R18 和 R19 設(shè)置為 2.5 V。該基準(zhǔn)將跟蹤 +5 V 電源，以便在電源電壓發(fā)生變化時(shí)，電路的 50% 占空比方波輸出保持在 50%。（觸發(fā)器的輕負(fù)載輸出也會(huì)跟蹤電源電壓的變化。）
模擬、實(shí)施、測(cè)試和結(jié)果
我使用LTspice來(lái)設(shè)計(jì)和仿真電路。然后我使用 Express PCB 的工具設(shè)計(jì)并布局了雙面電路板，底部有接地層。我使用 AppCad（可在網(wǎng)絡(luò)上獲?。﹣?lái)模擬關(guān)鍵跡線上的信號(hào)過(guò)沖/下沖。我將電阻器與一些較長(zhǎng)的走線串聯(lián)插入，以獲得快速信號(hào)，以減少過(guò)沖/下沖。除了 Q1、Q2、輸入和輸出 SMA 連接器以及連接器 P1 和 P3 之外，我對(duì)所有組件都使用了表面貼裝器件。（未使用 P2。）標(biāo)記為 T1 到 T12 的點(diǎn)是測(cè)試點(diǎn)（PCB 上的鍍通孔）。加載后的電路板如圖2所示。

圖2已加載的雙面電路板，底部有接地層，標(biāo)記為T1 至T12 的點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn)。

當(dāng)我用其他值的 C4 進(jìn)行測(cè)試時(shí)，C4 的 10 pF 電容器留在電路中。其他值焊接在 PCB 上，但連接到安裝在 PCB 上的 0.100 英寸中心連接器，因此我可以使用滑動(dòng)短路片單獨(dú)選擇它們。這就是為什么 C4 的所有其他值都有一個(gè)額外的 10 pF 用于頻率范圍測(cè)試。
LTspice 和 AppCad 仿真很好地預(yù)測(cè)了電路性能。表 1顯示了性能范圍與 C4 的幾個(gè)值的關(guān)系。

表1不同C4值的性能范圍。

該電路將倍頻器的工作頻率范圍擴(kuò)展至36 MHz，是原電路頻率上限的10倍以上。