Иногда может понадобиться недорогой ГУН (генератор, управляемый напряжением), способный в широком диапазоне частот выдавать три синусоидальных выходных сигнала с равными фазовыми сдвигами. Можно использовать следящие фазовые фильтры с одним генератором, но этот метод сложен в реализации и применим в ограниченном диапазоне. Существуют и другие методы, такие как использование цифровых сигнальных процессоров, но они сложны и дороги. Источником вдохновения для создания ГУН на Рисунке 1 послужили выпущенные много лет назад компанией Texas Instruments указания по применению, в которых подробно описывалось использование небуферизованных инверторов семейства U в кольцевых генераторах. Предложенная в этом документе схема состоит только из инверторов. Схема генерирует сигналы, форма которых довольно близка к синусоидальной. Для работы любого кольцевого генератора требуется, чтобы число инверторов в петле обратной связи было нечетным. В схеме будет работать любое нечетное число инверторов. Обратная связь инвертирующая, или отрицательная. Она обеспечивает начальное равновесное смещение, относительно которого изменяются сигналы на затворах.
 | ||
| Рисунок 1. | Кольцевой генератор с трехфазным выходом, работающий в широком диапазоне частот. | |
Необходимым условием возникновения колебаний является коэффициент усиления в замкнутом контуре больший единицы. Типовое усиление небуферизованных инверторов составляет 15 или около того на постоянном токе и примерно 7 при емкостных нагрузках. Таким образом, общий коэффициент усиления трех инверторов превышает 340, что более чем достаточно для генерации. На высоких частотах инверторы демонстрируют отставание по фазе, связанное с задержкой распространения. Добавление достаточного запаздывания к инверсиям, в конечном счете, превращает полную инверсию в неинверсию. Каждый каскад схемы на Рисунке 1 инвертирует сигнал (180°) и добавляет запаздывание в 60°, что в сумме составляет 240°. Общий фазовый сдвиг, создаваемый тремя каскадами по 240°, составляет 720°. Эта цифра соответствует двум полным проходам фазового круга, то есть, отсутствию инверсии фазы. Неинверсия означает самовозбуждение, которое порождает автоколебания. При использовании инверторов 74ACU04 схема на Рисунке 1 без дополнительных конденсаторов может работать на частотах до десятков мегагерц. Добавление конденсаторов может снизить частоту до приемлемого уровня. Частота равна IDD/3C, где IDD – ток, потребляемый логическими элементами. Для низкочастотных приложений лучше подходят инверторы 74HCU04, поскольку они менее чувствительны к разводке платы.
 | ||
| Рисунок 2. | Схема на Рисунке 1 вырабатывает три выходных сигнала размахом 600 мВ, смещенных на 120°. | |
Диоды на Рисунке 1 выполняют две задачи. Во-первых, они ограничивают размах сигнала до 600 мВ, поэтому логические элементы всегда работают в линейной области. Во-вторых, они позволяют логическим элементам работать как распределители тока, попеременно заряжая и разряжая конденсаторы. Уровень, до которого разряжаются конденсаторы, зависит от общего тока IDD, потребляемого инверторами. Этот уровень и, следовательно, частота колебаний пропорциональны рабочему току. Диапазон частот, в котором может работать схема, составляет 1000:1 (ток питания от 10 мкА до 10 мА). Обратите внимание, что в слаботочном низкочастотном конце диапазона схема не в состоянии отдавать большой ток и может нуждаться в буферизации. Форма выходного трехфазного сигнала схемы показана на Рисунке 2. Эта концепция не работает с обычными буферизованными логическими элементами семейств AC или HC из-за того, что они имеют слишком большой коэффициент усиления и, вследствие насыщения, форма сигналов в узлах схемы будет прямоугольной. Элементы типов ACU и HCU малопопулярны, но, тем не менее, доступны для приобретения. Не забудьте заземлить входы оставшихся трех вентилей этих шестиканальных устройств. Плавающие входы запрещены для всех КМОП устройств.
 | ||
| Рисунок 3. | Вычитание векторов двух выходов дает квадратурный сигнал со сдвигом фаз 90°. | |
Схема генерирует три выходных сигнала с равными относительными фазовыми сдвигами. Поскольку выходные сигналы практически синусоидальны, с помощью тригонометрических средств можно легко получить квадратурные выходы (Рисунок 3). Можно подключить дифференциальный усилитель к выходам 120° и 240°. Он обрежет синфазные компоненты с углом 180°. Разность между этими двумя выходами составляет 90°, и она хорошо отрабатывается во всем диапазоне частот генератора. Дифференциальный усилитель того же типа можно использовать для усиления сигнала выхода 0°, чтобы задерживать сигнал на более высоких частотах. В принципе, путем разумной регулировки амплитуд компонентов во внешних цепях можно получить любой набор фазовых углов. Основной недостаток схемы состоит в том, что в ней отсутствует высокодобротный резонатор, поэтому может возникнуть проблема фазовых шумов. Если включить схему в относительно узкополосную петлю ФАПЧ, ее характеристики значительно улучшатся. Возможности этого генератора позволяют ему захватывать широкий диапазон частот.