Экономичный генератор пилообразного напряжения со сверхнизким напряжением питания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2013

Bruce D Moore

EDN

Схема генератора пилообразного напряжения, потребляющая менее 3.2 мкА и работающая при напряжении ниже 1 В, может послужить полезным строительным блоком при создании сверхэкономичных устройств, питающихся от низковольтных источников. Она может использоваться как основной элемент в петле ШИМ регулирования, как таймер, как управляемый напряжением генератор или преобразователь емкость-частота. Схема оригинальна двумя особенностями:

• использованием компаратора, имеющего выход с открытым стоком, для создания точного источника импульсного тока;
• использованием функции защелкивания, позволяющей без дополнительных элементов превратить обычный компаратор в оконный.

Привлекательность этой схемы обусловлена ее более чем скромными размерами, исключительно малым количеством внешних компонентов, низким током потребления и способностью поддерживать постоянные значения частоты и амплитуды, не зависящие от изменений напряжения батареи. От классического автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе эту схему принципиально отличает то, что пороговые уровни задаются не выходным колебанием ОУ в сочетании с резистором обратной связи, а прецизионными опорными напряжениями на входах компаратора.

Обычно в подобных логометрических конструкциях с фиксированной частотой наблюдается нестабильность амплитуды пилообразного напряжения, что для петли ШИМ регулирования крайне нежелательно, так как может влиять на коэффициент передачи цепи обратной связи. А побочный положительный эффект заключается в возможности независимого управления скоростью нарастания и спада выходного напряжения путем масштабирования сопротивлений резисторов R₁ и R₂.

Рисунок 1.	Всего восемь компонентов потребовалось для создания этого исключительно экономичного низковольтного генератора пилообразного напряжения.

Обратившись к Рисунку 1, вы обнаружите, что схема содержит всего восемь компонентов: две микросхемы, четыре резистора, частотозадающий конденсатор и блокировочный конденсатор в цепи питания. Главными элементами конструкции являются микросхемы TS12011 и TS12012, выпускаемые компанией Touchstone Semiconductor в корпусах TDFN площадью 4 мм², каждая из которых содержит операционный усилитель, компаратор и источник опорного напряжения (Рисунок 2). Именно их характеристики позволили сделать устройство крошечным и простым.

Рисунок 2.	Функциональная схема микросхем TS12011/TS12012.

Несколько слов о том, как работает схема. На выходе суммирующего интегратора, подключенного к неинвертирующему входу оконного компаратора, формируется пилообразное напряжение. Благодаря действию обратной связи усилителя напряжение в суммирующем узле интегратора поддерживается на уровне V_REF. При этом положительный опорный ток, задаваемый через резистор R₁, уравновешивается отрицательным импульсным током большей амплитуды, текущим через R₂. Нижний по схеме компаратор имеет выход с открытым стоком, при низком напряжении на котором ток вытекает из суммирующего узла через резистор R₂:

и

Если выбрать I_R2 = 2×I_R1, то выходной сигнал приобретет форму симметричных треугольных импульсов.

Частоту колебаний можно определить по формуле:

где V – разность напряжений 0.87×V_REF и 0.58×V_REF. Для рассматриваемой схемы f = 850 Гц.

Формы пилообразных и прямоугольных импульсов на выходах схемы показаны на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Формы пилообразных и прямоугольных импульсов на выходах схемы. Последовательность прямоугольных импульсов используется для управления защелкой компаратора.

Встроенная защелка используется для формирования гистерезиса оконного компаратора. Функция этой защелки весьма интересна. При подаче низкого уровня на вход /LHDET входы компаратора остаются активными и воспринимают входные напряжения до тех пор, пока одно из них не пересечет порог. На выходе компаратора микросхемы IC₂ устанавливается высокий уровень, когда пилообразное напряжение пересекает нижний порог 0.58×V_REF, и низкий, когда пила пересекает порог 0.87×V_REF. Импульс сброса очень короток, но успевает зафиксировать на выходе компаратора состояние, в которое он перешел в момент пересечения порога, а затем вновь защелкнуть выход после переключения опорного тока при переходе к формированию спадающего фронта пилы. В результате получается схема, не требующая никакой связующей логики.

Для питания схемы может использоваться батарея с напряжением от 0.9 В, при этом ток потребления не превысит 3.2 мкА. Максимальная рабочая частота, ограниченная скоростью нарастания операционного усилителя и задержками распространения, составляет 3 кГц. Отключив вывод R₁ и подав на него напряжение более 0.58×V_REF, можно превратить схему в генератор, управляемый напряжением (ГУН).