Простой высокочастотный генератор пилообразного напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2012

Luca Bruno, Италия

EDN

Вебинар «Особенности применения литиевых батареек Fanso (EVE) в популярных решениях» (30.11.2021)

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.

Простой высокочастотный генератор пилообразного напряжения

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 CT, напряжение на котором изменяется от нижнего до верхнего порогов инвертора. RTCT 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 RTCT. Для этого в схему добавлен выполняющий функцию генератора подкачки заряда конденсатор C1 с емкостью, по крайней мере, на порядок большей, чем CT. Во время спадающего фронта «пилы», при низком уровне на выходе инвертора, этот конденсатор быстро заряжается через диод D1 до напряжения VCC минус прямое падение напряжения на диоде. В это же время конденсатор CT разряжается через диод D2.

Когда спадающий фронт напряжения на CT достигнет нижнего порога VT 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 RTCT начнет заряжаться, стремясь сравняться с напряжением на конденсаторе C1. В момент, когда напряжение на CT поднимется до верхнего порога VT+ триггера Шмитта, выход инвертора вернется в «лог. 0» и цикл начнет повторяться.

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

где

ENL% – ошибка нелинейности в процентах,
MI – угол наклона рабочей области «пилы» на начальном участке,
MF – угол наклона рабочей области на конечном участке,

и



где

VF – прямое падение напряжения на диоде D1.

Постоянная времени RTCT определяет частоту пилообразного напряжения FO. Оценить эту частоту, пренебрегая временем разряда CT и любым разрядом C1, можно с помощью выражения:

где

K – константа, определяемая из следующего выражения:

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

  • 28% при VCC = VDD = 5 В,
  • 18% при VCC = 10 В и VDD = 5 В,
  • 14% при VCC = 15 В и VDD = 5 В.

Был собран макет схемы, в которой VDD=VCC=5 В, CT=100 пФ и RT=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 CT 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 CT должна значительно превосходить емкость входов микросхемы и паразитные емкости.

Сопротивление RT 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 VT. Необходимо принимать во внимание, что из-за конечной задержки распространения инвертора разряд CT прерывается не в момент достижения порога VT, а несколько позже. Этот факт следует учитывать, чтобы компенсировать ошибку расчетов, выполняемых на основе измеренных значений VT.

Texas Instruments - SN74LVC1G14

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Simple sawtooth generator operates at high frequency

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Прекрасно расписана работа схемы. Особенности её построения. Недостатком предложеного варианта генератора пилообразного напряжения является отсутствие буферного каскада. Что делает ГПН чуствительным к подключаемой нагрузке.
  • Линейность можно улучшить, если добавить генератор тока, в прикреплённом файле результаты симуляции в Mocro-Cap. Для улучшения линейности, можно добавить варикап. Смысл добавления варикапа к постоянной емкости заключается в следующем: когда напряжение на варикапе увеличивается, емкость варикапа уменьшается, тем самым компенсируя уменьшение зарядного тока конденсатора на входе логического элемента. Простейший эмиттерный повторитель, уменьшает выходное сопротивление генератора, только надо помнить, что входная ёмкость транзистора должна быть меньше емкости Ct на входе логического элемента.
  • Всё правильно,только такой варС ещё большая экзотика,чем сама микра(ваяем посему из подсобных материалов...).
  • Вместо транзистора (с его нелинейным базовым током) я поставил бы повторитель на ОУ.
  • Ставил, большой разницы не увидел.
  • Как можно на глаз определить изменение линейности пилы? У ОУ входной ток значительно меньше и его изменение от температуры тоже мало. Поэтому, если серьезно подходить к проектированию, то эти вещи надо досконально учитывать.
  • Всё верно, но в статье упоминалось о простоте, отсюда и результат, т.е. не добавлять сложные элементы. Хотя, для каких-то применений, возможно и пойдёт. Если серьёзно подходить, для реализации данного устройства потребуется полностью собирать на другой элементной базе.
Полный вариант обсуждения »