Простой высокочастотный генератор пилообразного напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2012

Luca Bruno, Италия

EDN

В широтно-импульсных модуляторах часто используются аналоговые генераторы пилообразного напряжения. Показанная на Рисунке 1 недорогая схема такого генератора может использоваться в маломощных приложениях на частотах до 10 МГц. Схема отличается хорошей линейностью рабочего хода и стабильностью частоты.

Рисунок 1.	Для генерации пилообразного напряжения используется заряд и быстрый разряд конденсатора CT. Размах «пилы» ограничивается верхним и нижним пороговыми напряжениями триггера Шмитта.

Схема сделана на одном инверторе с входным триггером Шмитта, работающем как модифицированный мультивибратор. Выходное напряжение снимается с времязадающего конденсатора C_T, напряжение на котором изменяется от нижнего до верхнего порогов инвертора. R_TC_T заряжается постоянным напряжением, поэтому напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону и аппроксимировать его прямой линией можно лишь на начальном участке экспоненты.

Простейший способ улучшить линейность пилообразного напряжения – увеличить напряжение питания цепочки R_TC_T. Для этого в схему добавлен выполняющий функцию генератора подкачки заряда конденсатор C₁ с емкостью, по крайней мере, на порядок большей, чем C_T. Во время спадающего фронта «пилы», при низком уровне на выходе инвертора, этот конденсатор быстро заряжается через диод D₁ до напряжения V_CC минус прямое падение напряжения на диоде. В это же время конденсатор C_T разряжается через диод D₂.

Когда спадающий фронт напряжения на C_T достигнет нижнего порога V_T⁻ триггера Шмитта, на выходе инвертора установится высокий логический уровень. Начнется заряд конденсатора C₁, и на катоде диода D₁ установится сумма напряжений на C₁ и на выходе инвертора. D₁ закроется, и цепь R_TC_T начнет заряжаться, стремясь сравняться с напряжением на конденсаторе C₁. В момент, когда напряжение на C_T поднимется до верхнего порога V_T⁺ триггера Шмитта, выход инвертора вернется в «лог. 0» и цикл начнет повторяться.

Линейность «пилы» пропорциональна сумме напряжений питания V_CC и V_DD. Поскольку V_DD равно +5 В, и фиксировано, улучшать линейность остается только за счет V_CC. Оценить степень нелинейности рабочей области пилообразного напряжения можно с помощью следующего выражения:

где

E_NL% – ошибка нелинейности в процентах,
M_I – угол наклона рабочей области «пилы» на начальном участке,
M_F – угол наклона рабочей области на конечном участке,

и

где

V_F – прямое падение напряжения на диоде D₁.

Постоянная времени R_TC_T определяет частоту пилообразного напряжения F_O. Оценить эту частоту, пренебрегая временем разряда C_T и любым разрядом C₁, можно с помощью выражения:

где

K – константа, определяемая из следующего выражения:

Моделирование схемы со значениями C_T=100 пФ и R_T=2.2 кОм показывает, что нелинейность пилообразного напряжения равна

• 28% при V_CC = V_DD = 5 В,
• 18% при V_CC = 10 В и V_DD = 5 В,
• 14% при V_CC = 15 В и V_DD = 5 В.

Был собран макет схемы, в которой V_DD=V_CC=5 В, C_T=100 пФ и R_T=2.2 кОм. В качестве инвертора использовалась микросхема 74HC14 в стандартном корпусе DIP, имеющая задержку распространения 15 нс (против 4.4. нс у SN74LVC1G14 при напряжении питания 5 В). Измеренная частота равнялась приблизительно 12.7 МГц.

Частотозадающий конденсатор C_T должен быть пленочным, с низким током утечки, а его емкость не должна быть большой, чтобы сократить затраты энергии при перезаряде. В то же время, для уменьшения вносимых ошибок, емкость C_T должна значительно превосходить емкость входов микросхемы и паразитные емкости.

Сопротивление R_T выбирайте достаточно небольшим, чтобы снизить влияние паразитных емкостей.

В качестве IC₁ можно использовать любой КМОП инвертор с триггером Шмитта на входе. Однако для повышения стабильности частоты следует выбирать микросхемы из наиболее быстродействующих семейств, с малым временем задержки распространения и большим выходным током. Вполне подойдет выпускаемый Texas Instruments одновентильный инвертор SN74LVC1G14.

Чтобы воспользоваться приведенными выше выражениями, нужно прямо в схеме измерить пороговые напряжения триггера Шмитта, в особенности V_T⁻. Необходимо принимать во внимание, что из-за конечной задержки распространения инвертора разряд C_T прерывается не в момент достижения порога V_T⁻, а несколько позже. Этот факт следует учитывать, чтобы компенсировать ошибку расчетов, выполняемых на основе измеренных значений V_T⁻.