Почти четыре десятилетия назад (в своей книге «Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters – Проекты высококачественных преобразователей напряжения в частоту» [1]) известный разработчик Джим Уильямс описал пять основных методов преобразования напряжения в частоту. Один из них представлен на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Прецизионный зарядовый насос замыкает цепь обратной связи, делая «грубое преобразование напряжение-частота» точным в соответствии с книгой «Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters». |
Уильямс вкратце описывает принцип работы этой знаменитой топологии: «Усилитель постоянного тока управляет относительно грубым преобразователем напряжение-частота (ПНЧ). Этот ПНЧ рассчитан на достижение высокой скорости и широкого динамического диапазона за счет линейности и температурной стабильности. Выход схемы коммутирует зарядовый насос, выходное напряжение которого, интегрированное до постоянного тока, сравнивается с входным напряжением. Усилитель постоянного тока делает рабочую частоту ПНЧ прямой функцией входного напряжения».
Ранее в книге «Проекты высококачественных…» Уильямс представил несколько потрясающих конструкций ПНЧ, воплощающих концепцию Рисунка 1, в которых использовались различные зарядовые насосы. Два из них были диодного типа. Другие примеры конструкций ПНЧ Уильямса, включающих диодные насосы, подробно описаны в его увлекательном (и занимательном!) рассказе о творческом процессе проектирования: «The Zoo Circuit», глава 18 [2].
Успех этих и других конструкций с диодным насосом доказывает полезность диодов в прецизионных приложениях. Однако неотъемлемой проблемой при использовании диодных насосов в ПНЧ является тот неудобный факт, что ни один (реальный) диод не является идеальным. Диоды имеют нелинейное и зависящее от температуры падение напряжения, паразитную емкость, заряд обратного восстановления и другие «очаровательные» особенности. При проверке любого хорошего ПНЧ с диодным насосом (включая превосходные конструкции Уильямса) можно обнаружить, что значительные части схемы и компонентов предназначены для смягчения этих недостатков. На Рисунке 2 показаны места возникновения некоторых из этих ошибок и их влияние на точность накачки.
 |
|
| Рисунок 2. | Реалии диодного насоса, которые могут приводить к таким ошибкам, как нелинейное и зависящее от температуры падение напряжения, паразитная емкость, заряд обратного восстановления и многое другое. |
Если бы диоды в насосе на Рисунке 2 были идеальными, то каждый период входной частоты выдавал бы порцию заряда Q = –VC, и мы бы имели VOUT = FVCR. Но поскольку это не так, прямые напряжения (VD), паразитные емкости (CS) и т. д. вычитаются из чистого заряда, создаваемого насосом, оставляя
Q = – [VC – 2VD(C + CS)],
и делая
VOUT = F[VC – 2VD(C + CS)]R.
Традиционные схемотехнические приемы для (хотя бы частичной) компенсации этих ошибок и обнуления (большей части) вносимого ими температурного коэффициента (например, 2 мВ/°C для каждого VD) включают добавление цепочек диодов последовательно с опорными напряжениями ПНЧ и калибровочных подстроечных потенциометров во входных цепях. Хотя их можно заставить работать, тонкая настройка этих средств в конкретной конструкции может быть сложной, и ни одно из них не является особенно элегантным или простым.
На Рисунке 3 показан подход, который полностью отличается от коррекции опорных напряжений и основан на методе TBH (take-back-half, забрать половину).
 |
|
| Рисунок 3. | TBH добавляет насос с обратной полярностью и половинной амплитудой сигнала, который вычитает члены ошибки. |
TBH добавляет новый насос противоположной полярности параллельно обычной паре диодов, управляемый емкостным делителем напряжения 1:2 с той же общей емкостью. В результате формируются зарядовые пакеты противоположной полярности, имеющие половину номинальной амплитуды сигнала, но равную амплитуду сигнала ошибки. Следовательно, при суммировании зарядов от чистого выходного сигнала насоса «забирается» половина желаемого сигнала, но исчезает вся ошибка.
В результате остается только оригинальный выходной сигнал, каким он был бы в случае идеального диода:
Q = –VC
и
VOUT = FVCR.
Это словоблудие может показаться запутанным и сбивающим с толку (я знаю), но аналоговая алгебра проста и (я надеюсь) понятна. Пожалуйста, посмотрите на Рисунок 3.
Ссылки
- Williams, Jim. "Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters."
- Williams, Jim. "The Zoo Circuit."
