Схема, показанная на Рисунке 1, обеспечивает более широкий динамический диапазон и более высокую выходную частоту, чем любой имеющийся на рынке преобразователь напряжение-частота (ПНЧ). Ее полная шкала выходных частот 100 МГц (допустим 10-процентный выход за пределы диапазона до 110 МГц), по крайней мере, в десять раз выше, чем у доступных устройств. Динамический диапазон схемы 160 дБ (8 декад) обеспечивает непрерывную работу на частотах до 1 Гц. Дополнительные характеристики включают линейность 0.1%, температурный коэффициент усиления 250 ppm/°C, уход нуля 1 Гц/°C, сдвиг частоты 0.1% при напряжении питания 5 В ±10% и диапазон входных сигналов от 0 В до 5 В. Схема питается от одного источника 5 В.
 |
|
| Рисунок 1. | Преобразователь напряжение-частота 1 Гц – 100 МГц имеет динамический диапазон 160 дБ и работает от источника питания 5 В. Смещенный по входу следящий усилитель управляет задающим генератором, стабилизируя рабочую точку схемы. Широкий рабочий диапазон обусловлен характеристиками задающего генератора, обратной связью на основе делителя/зарядового насоса и низкими входными ошибками по постоянному току усилителя A1. |
Микросхема A1 – усилитель с МДМ стабилизацией нуля – управляет не очень совершенным, но широкополосным задающим генератором на Рисунке 1. Задающий генератор управляет зарядовым насосом через цифровые делители. Усредненная разность между выходным напряжением зарядового насоса и входным напряжением схемы на суммирующем узле Σ смещает напряжение на входе усилителя A1, замыкая контур управления широкодиапазонным задающим генератором. Исключительный динамический диапазон и высокое быстродействие схемы обусловлены характеристиками задающего генератора, обратной связью на основе делителя/зарядового насоса и низкими входными ошибками по постоянному току усилителя A1. Усилитель A1 и зарядовый насос на базе LTC6943 стабилизируют рабочую точку схемы, обеспечивая высокую линейность и низкий дрейф. Низкий дрейф смещения A1 обеспечивает крутизну АЧХ схемы 50 нВ/Гц, что позволяет работать на частотах до 1 Гц при 25 °C.
Положительное входное напряжение устанавливает отрицательный уровень на входе усилителя A1 и открывает транзистор Q1. Результирующий ток коллектора Q1 увеличивает напряжение на конденсаторе C1 (осциллограмма A, Рисунок 2) до тех пор, пока выходной логический уровень инвертора с триггером Шмитта I1 (осциллограмма B) не станет низким, разряжая C1 через транзистор Q2. Разряд C1 переключает выход I1 в высокое состояние, Q2 закрывается, и процесс нарастания и сброса продолжается. Утечка диода D1 преобладает над всеми паразитными токами в задающем генераторе, обеспечивая работу до 1 Гц. Выход цепочки делителей на 64 тактирует зарядовый насос на основе микросхемы LTC6943. Две секции зарядового насоса работают в противофазе, поэтому перенос заряда происходит по каждому фронту импульсов. Стабильность зарядового насоса определяется в первую очередь опорным напряжением 2.5 В микросхемы LT1460, низким уровнем инжекции заряда коммутаторов и качеством конденсаторов 100 пФ. Конденсатор 0.22 мкФ усредняет выходное напряжение зарядового насоса. Усредненная разность между напряжением, создаваемым входным током, и сигналом обратной связи зарядового насоса усиливается усилителем A1, который смещает транзистор Q1 для управления рабочей точкой схемы. Нелинейность и дрейф задающего генератора компенсируются следящей системой на основе усилителя A1, обеспечивающей отмеченные ранее высокую линейность и низкий дрейф. Конденсатор емкостью 1 мкФ в обратной связи A1 необходим для частотной компенсация петли ОС. Рисунок 3 показывает, что реакция замкнутой системы (осциллограмма B) на входной скачок напряжения (осциллограмма A) хорошо контролируется.
 |
|
| Рисунок 2. | Работа ПНЧ на частоте 40 МГц. Осциллограммы сигналов задающего генератора, полученные на осциллографе реального времени с полосой пропускания 670 МГц, включают сигнал на коллекторе транзистора Q1 (осциллограмма A) и на эмиттере Q2 (осциллограмма B). Очевидна характеристика работы в режиме нарастания и сброса; длительность сброса 6 нс позволяет использовать частоту повторения 100 МГц. |
Реализовать заявленные характеристики этой схемы позволяют некоторые специальные методы. Ток утечки диода D1 доминирует над всеми паразитными токами на входе инвертора I1, следовательно, транзистор Q1 всегда должен отдавать ток, поддерживая колебания для обеспечения работы на частотах до 1 Гц. Шкала частот 100 МГц устанавливает жесткие ограничения на период колебаний задающего генератора. Для полной последовательности нарастания и сброса может быть отведено всего 10 нс. Основным ограничителем скорости является интервал сброса. На Рисунке 2 (осциллограмма B) показан интервал 6 нс, вполне соответствующий допустимому пределу в 10 нс.
 |
|
| Рисунок 3. | Отклик (осциллограмма B) на скачок входного напряжения (осциллограмма A) показывает время установления 30 мс в суммирующей точке Σ. Конденсатор 1 мкФ между входом и выходом усилителя A1 формирует отклик, стабилизируя контур обратной связи. «Обрезанный» отклик на отрицательный скачок входного напряжения обусловлен ограничением суммирующего узла. |
Масштабируемый резистивный путь от входа до зарядового насоса корректирует небольшие нелинейности, обусловленные инжекцией остаточного заряда. Эта коррекция на основе входного сигнала эффективна, поскольку влияние инжекции заряда напрямую зависит от частоты, определяемой входным сигналом.
Эту схему и примечания к ней можно использовать при изготовлении прототипов и мелких партий, но для серийного производства выбор компонентов следует пересмотреть. В Таблице 1 перечислены подходящие для схемы компоненты и критерии их выбора.
| Таблица 1. | Критерии выбора компонентов, обеспечивающих заявленные характеристики ПНЧ. Первые пять позиций улучшают работу на частотах ниже 100 Гц. Последняя позиция обеспечивает надежную работу делителя напряжения обратной связи. |
||||||||||||||
|
|||||||||||||||
Для калибровки этой схемы подайте на вход напряжение 5.000 В и, регулируя потенциометр «100 МГц», получите на выходе 100.0 МГц. Затем заземлите вход и регулировкой потенциометра «1 Гц» установите частоту выходного сигнала, равной 1 Гц. Учтите длительное время установления, так как период обновления напряжения зарядового насоса на этой частоте составляет 32 секунды. Обратите внимание, что эта регулировка позволяет использовать любую полярность смещения благодаря смещению –V, создаваемому импульсами на выходе CLK тактового генератора микросхемы A1. Наконец, при входном напряжении VIN = 3.000 В установите на выходе частоту 60 Гц потенциометром «ЛИНЕЙНОСТЬ (60 МГц)». Повторяйте эти регулировки до тех, пока нужные значения частоты не будут получены во всех трех точках.
Купить LT1460 на РадиоЛоцман.Цены
