Мозги без тренировки ржавеют, поэтому когда задумал очередной часовой проект на кмоп логике, озадачил их снижением энергопотребления.
Изобретённые в процессе велосипеды выглядят интересно, поэтому решил поделиться с общественностью.
КМОП обладает практически нулевым статическим потреблением и основной расход энергии в типичной схеме часов приходится на кварцевый генератор и первые ступени деления.
Обычно в качестве источника (полу)секундрых импульсов применяется cd4060 или её аналог, Что-то вроде такого:
Схема прекрасно работает и повторена тысячи раз, но использует первый инвертор микросхемы как усилитель для генератора Пирса. Оба транзистора комплиментарной пары инвертора открыты при входном напряжении около половины питания, что в моменте вызывает значительный сквозной ток до нескольких миллиампер.
В моих экспериментах эта схема потребляла около 120 мкА.
Лучших результатов можно достичь, сделав генератор отдельным и оставив кмоп логику только в качестве делителя частоты. Правда, сделать экономичный генератор с хорошими фронтами и амплитудой сложнее, чем кажется.
Первое, что попробовал - схема из вот этого патента:
Потребление пары генератор+делитель получилось 55 мкА. Уже сильно лучше, но до заявленных в патенте единиц микроампер всё равно далеко.
Осциллограф показал, что тому виной довольно пологие фронты, порядка 5мкс.
Пологие они из-за эффекта Миллера и паразитных емкостей база-коллектор. При изменении напряжения на коллекторе эти емкости разряжаются на базу, создавая паразитный ток, направленный против основного и пропорциональный скорости изменения напряжения на коллекторе.
Этот же эффект приводит к увеличению емкостной нагрузки на кварц, из-за чего в оригинальной схеме последовательно с ним пришлось ставить конденсатор.
Классический способ борьбы с эффектом Миллера - каскодная схема включения транзисторов. Модифицировал схему следующим образом:
Фронты сократились до 0.5мкс, общее потребление до 22 мкА.
Существенно уменьшилась емкостная нагрузка на выходе кварца и время запуска стало заметно лучше (сократилось с 1-2с до 0.3-0.5с), что позволило отказаться от одного из резисторов, последовательного конденсатора и уменьшить емкость входного.
Тут уже стало понятно, что дальнейшего улучшения качества сигнала на выходе не получить без добавления положительной обратной связи в какой-то форме. Проще всего оказалось сделать так:
В процессе запуска до достижения амплитуды на выходе 0.6в схема работает как оригинальная. При большей амплитуде Q9 и Q10 открываются, разряжая нагрузочный конденсатор C11 на базы Q7/Q8, приводя к лавинообразоному открытию транзисторов и отличной крутизне фронтов. Разрешения китайского цифрового осциллографа не хватает для измерений фротнта, полагаю около единиц или десятков нс.
Выходной сигнал можно брать с двух точек : out1 (больше размах, но хуже форма сигнала, положительная обратная связь включается только когда здесь напряжение достигнет 1.6в) и out2 (амплитуда меньше, форма лучше).
Во втором случае входная емкость делителя тоже работает как часть нагрузки и позволяет уменьшить емкость C11.
Оптимальная емкость С11 зависит от паразитных емкостей транзисторов и схемы в целом: недостаточная емкость конденсатора не даст лавинообразного открытия и хороших фронтов, на перезарядку слишком большой будет бесполезно тратиться энергия. В моих экспериментах 22пф было достаточно для работы без нагрузки.
Общее потребление c делителем получилось 15мкА при использовании out2, из них на генератор приходится чуть больше половины.
Недостатком такой схемы с обратной связью является увеличение входной емкости (т.к. все 4 коллекторных перехода подключены ко входу). Для стабильной работы пришлось уменьшить сопротивление R7 до 330к и всё равно время старта может доходить до 2-3 секунд.
Во всех экспериментах питание 5в, транзисторы BC550/560.
В качестве делителя использовал cd4020. cd4060 тоже работает, но потребляет чуть больше из-за большего количества паразитных емкостей на входе до делителей.
Как улучшить схему дальше без сильного усложнения, я придумать уже не смог. Только если уходить с транзисторов на экономичные ОУ/компараторы или специализированные микросхемы, но это уже неспортивно как-то
Мысли и идей приветствуются.
Изобретённые в процессе велосипеды выглядят интересно, поэтому решил поделиться с общественностью.
КМОП обладает практически нулевым статическим потреблением и основной расход энергии в типичной схеме часов приходится на кварцевый генератор и первые ступени деления.
Обычно в качестве источника (полу)секундрых импульсов применяется cd4060 или её аналог, Что-то вроде такого:
Схема прекрасно работает и повторена тысячи раз, но использует первый инвертор микросхемы как усилитель для генератора Пирса. Оба транзистора комплиментарной пары инвертора открыты при входном напряжении около половины питания, что в моменте вызывает значительный сквозной ток до нескольких миллиампер.
В моих экспериментах эта схема потребляла около 120 мкА.
Лучших результатов можно достичь, сделав генератор отдельным и оставив кмоп логику только в качестве делителя частоты. Правда, сделать экономичный генератор с хорошими фронтами и амплитудой сложнее, чем кажется.
Первое, что попробовал - схема из вот этого патента:
Потребление пары генератор+делитель получилось 55 мкА. Уже сильно лучше, но до заявленных в патенте единиц микроампер всё равно далеко.
Осциллограф показал, что тому виной довольно пологие фронты, порядка 5мкс.
Пологие они из-за эффекта Миллера и паразитных емкостей база-коллектор. При изменении напряжения на коллекторе эти емкости разряжаются на базу, создавая паразитный ток, направленный против основного и пропорциональный скорости изменения напряжения на коллекторе.
Этот же эффект приводит к увеличению емкостной нагрузки на кварц, из-за чего в оригинальной схеме последовательно с ним пришлось ставить конденсатор.
Классический способ борьбы с эффектом Миллера - каскодная схема включения транзисторов. Модифицировал схему следующим образом:
Фронты сократились до 0.5мкс, общее потребление до 22 мкА.
Существенно уменьшилась емкостная нагрузка на выходе кварца и время запуска стало заметно лучше (сократилось с 1-2с до 0.3-0.5с), что позволило отказаться от одного из резисторов, последовательного конденсатора и уменьшить емкость входного.
Тут уже стало понятно, что дальнейшего улучшения качества сигнала на выходе не получить без добавления положительной обратной связи в какой-то форме. Проще всего оказалось сделать так:
В процессе запуска до достижения амплитуды на выходе 0.6в схема работает как оригинальная. При большей амплитуде Q9 и Q10 открываются, разряжая нагрузочный конденсатор C11 на базы Q7/Q8, приводя к лавинообразоному открытию транзисторов и отличной крутизне фронтов. Разрешения китайского цифрового осциллографа не хватает для измерений фротнта, полагаю около единиц или десятков нс.
Выходной сигнал можно брать с двух точек : out1 (больше размах, но хуже форма сигнала, положительная обратная связь включается только когда здесь напряжение достигнет 1.6в) и out2 (амплитуда меньше, форма лучше).
Во втором случае входная емкость делителя тоже работает как часть нагрузки и позволяет уменьшить емкость C11.
Оптимальная емкость С11 зависит от паразитных емкостей транзисторов и схемы в целом: недостаточная емкость конденсатора не даст лавинообразного открытия и хороших фронтов, на перезарядку слишком большой будет бесполезно тратиться энергия. В моих экспериментах 22пф было достаточно для работы без нагрузки.
Общее потребление c делителем получилось 15мкА при использовании out2, из них на генератор приходится чуть больше половины.
Недостатком такой схемы с обратной связью является увеличение входной емкости (т.к. все 4 коллекторных перехода подключены ко входу). Для стабильной работы пришлось уменьшить сопротивление R7 до 330к и всё равно время старта может доходить до 2-3 секунд.
Во всех экспериментах питание 5в, транзисторы BC550/560.
В качестве делителя использовал cd4020. cd4060 тоже работает, но потребляет чуть больше из-за большего количества паразитных емкостей на входе до делителей.
Как улучшить схему дальше без сильного усложнения, я придумать уже не смог. Только если уходить с транзисторов на экономичные ОУ/компараторы или специализированные микросхемы, но это уже неспортивно как-то
Мысли и идей приветствуются.- Вложения
-
- Sheet_3.png
- (17.16 КБ) 156 скачиваний
-
- Sheet_1.png
- (19.44 КБ) 156 скачиваний
-
- Sheet_2.png
- (26.59 КБ) 158 скачиваний
-
- cd-4060-crystal-oscillator.gif
- (5.31 КБ) 151 скачивание
We do what we must because we can
Вы пробовали собирать это живьём, или только в модели? А погреть пробовали, градусов хотя бы до 50?
