Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2012
Shawn Stafford, США
EDN
Типичная микросхема преобразователя напряжение-частота (ПНЧ), которую можно рассматривать, также, как генератор, управляемый напряжением (ГУН), имеет простую линейную зависимость выходной частоты от входного напряжения. Обычно эта зависимость имеет вид
где RC – постоянная времени времязадающего резистора и конденсатора. При фиксированных значениях R и C выходная частота таких преобразователей управляется входным напряжением, но изменяется в очень узком диапазоне. Если помимо напряжения варьировать величины R и C, диапазон перестройки можно значительно расширить, используя практически всю допустимую полосу частот микросхемы ПНЧ.
Один из способов решения этой задачи заключается в замене времязадающего конденсатора переменным конденсатором, емкость которого обратно пропорционально зависела бы от напряжения смещения, т.е., варикапом [1]. Для схемы была выбрана ИС ПНЧ AD654 фирмы Analog Devices, отличающаяся простотой и достаточно широкой полосой рабочих частот, как минимум достигающей 1 МГц [2].
 |
|
| Рисунок 1. | Обычное использование этой микросхемы ПНЧ предполагает включение времязадающего конденсатора CT между выводами 6 и 7. |
На Рисунке 1 показана типичная схема включения AD654 с постоянным резистором и конденсатором. При указанных на схеме номиналах компонентов частота сигнала на выходе схемы изменяется примерно от 10 Гц до 30 кГц при изменении входного напряжения от 0 до 10 В. После замены времязадающего конденсатора варикапом NTE618 со сверхрезким переходом (Рисунок 2) этому же диапазону входных напряжений будет соответствовать изменение частоты от 10 Гц до более чем 1 МГц [3].
 |
|
| Рисунок 2. | Конденсатор постоянной емкости заменен варикапом с цепью питания и блокировочными конденсаторами. |
График на Рисунке 3 позволяет сравнить характеристики настройки двух вариантов преобразователя. Обратите внимание, что произошло существенное расширение динамического диапазона, но за это пришлось заплатить линейностью. Температурная стабильность также ухудшилась. Одним словом, произошел обмен точности на диапазон перестройки. Не забывайте об этом, оценивая пригодность схемы для своего приложения.
 |
|
| Рисунок 3. | Замена конденсатора постоянной емкости варикапом намного расширяет диапазон перестройки частоты. |
Варикап со сверхрезким переходом за счет большого коэффициента перекрытия позволяет изменять частоту в широких пределах при незначительных изменениях входного напряжения. Для некоторых варикапов коэффициент перекрытия по емкости может достигать 15, как, например, для прибора NTE618, используемого в АМ приемниках. Поскольку с ростом напряжения емкость варикапа уменьшается, частота, в свою очередь, увеличивается. Комбинация всех факторов обеспечивает расширение диапазона регулирования. Блокировочные конденсаторы емкостью 0.01 мкФ изолируют варикап от влияния ядра микросхемы ПНЧ. Небольшое смещение варикапа резистором 1 МОм защищает генератор от дополнительной нагрузки.
Поведение схемы можно заранее оценить и предсказать, даже основываясь на справочных данных, публикуемых изготовителями. С помощью Microsoft Excel совсем несложно построить регулировочную кривую для варианта с варикапом. Потом эту информацию можно использовать в выражении, описывающем работу ПНЧ. Зависимость емкости варикапа NTE618 от приложенного напряжения можно аппроксимировать выражением
C = 800×10−10×e−0.46V.
Рисунок 4 демонстрирует хорошее совпадение рассчитанных и измеренных зависимостей. Расхождение кривых по мере роста частоты объясняется возрастанием влияния паразитных емкостей схемы и печатной платы при уменьшении емкости варикапа. Грамотная трассировка схемы позволит минимизировать этот эффект и расширить частотный диапазон.
 |
|
| Рисунок 4. | Рассчитанная и измеренная зависимости хорошо согласуются. |
Заметим, что в области низких входных напряжений поведение преобразователей с варикапом и с постоянной емкостью практически идентично, что связано с обратно-экспоненциальным характером зависимости емкости варикапа от напряжения. Одним из полезных результатов расширения диапазона регулирования является возможность отказа от переключателей, коммутирующих схемы преобразователей или их времязадающие элементы. Вероятно, вы сможете найти много полезных применений предложенной конструкции в системах ФАПЧ, модуляторах или функциональных генераторах.
Замечание редактора EDN
На Рисунке 13 в справочных данных на микросхему AD654 [2] обнаружены ошибки. Микросхемы 74LS86 и LM360 не могут питаться напряжением 15 В, а резистор R7, скорее всего, должен иметь сопротивление 8.2 кОм, а не 8.2 Ом.
Ссылки
