Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2018
Jim Tonne
Electronic Design
Из нескольких пассивных компонентов с низкими утечками и двух операционных усилителей с высоким входным сопротивлением можно собрать генератор синусоидальных и прямоугольных сигналов с периодом выходных колебаний, измеряемым минутами и более
Изображенная на Рисунке 1 схема генерирует сигналы синусоидальной формы с нелинейными искажениями порядка 3% или меньше. В схеме отсутствуют элементы обратной связи или стабилизации усиления, поскольку они в ней просто не нужны. В качестве фазосдвигающей цепи в этом генераторе используется фильтр нижних частот, а не более распространенная схема с фильтром верхних частот.
 |
||
| Рисунок 1. | Этому генератору сверхнизкочастотных сигналов синусоидальной и прямоугольной формы требуется очень немного компонентов, однако, как показывают результаты моделирования в LTspice, он обеспечивает низкий уровень искажений. |
|
Фильтром нижних частот, удаляющим из выходного сигнала бóльшую часть посторонних гармоник, служит времязадающая цепь. Публиковались и другие схемы генераторов, в которых используются фазосдвигающие цепи на основе низкочастотных фильтров, но большинство из них было сложнее (а некоторые намного сложнее).
Выход операционного усилителя (ОУ) U1 соединен с первой секцией фазосдвигающей цепи через R1 и C1. Каждый каскад этой цепи последовательно ослабляет гармонические составляющие сигнала и отчасти основную гармонику. Окончательный синусоидальный сигнал возвращается на вход усилителя U1, не имеющего обратной связи, поэтому из-за сильного ограничения он приобретает прямоугольную форму. Кроме того, для восстановления синусоиды до более практичного уровня и снижения выходного импеданса этот же сигнал поступает на вход усилителя U2, работающего в линейном режиме.
При использовании трех резисторов 2.2 МОм и трех конденсаторов 1 мкФ схема генерирует синусоиду с частотой примерно 0.174 Гц. (Обратите внимание, что, заменив C1-C3 трехсекционным конденсатором переменной емкости, можно создать недорогой аудио генератор с регулируемой частотой).
Независимо от частоты, схема быстро запускается в течение нескольких периодов, а амплитуда выходного сигнала отличается высокой стабильностью. Усилитель U1 не обязательно должен иметь rail-to-rail выход, но требуется, чтобы сигнал ограничивался симметрично, так как в противном случае на выходе будут присутствовать четные гармоники. При наличии у схемы дополнительного выхода сигнала треугольной формы ее можно было бы назвать функциональным генератором. Однако в представленной здесь простейшей конфигурации такого выхода нет.
При увеличении номиналов элементов эта схема может генерировать синусоиды с периодами порядка минут и более, что в значительной степени зависит от характеристик используемых компонентов. В связи с высокими сопротивлениями резисторов необходимо выбирать КМОП ОУ со сверхмалыми входными токами, а времязадающие конденсаторы должны иметь очень низкие утечки. На Рисунке 2 показаны временные диаграммы сигналов в критических точках схемы.
 |
||
| Рисунок 2. | Формы сигналов в четырех главных точках схемы: (а) – выход U1 (прямоугольные импульсы) и точка соединения R1 и C1 («треугольные» импульсы); (б) – сигналы на R1/C1 и R2/C2; (в) – сигнал на R2/C2 и синусоидальный сигнал на R3/C3; (г) – выходы сигналов прямоугольной и синусоидальной формы. |
|
Возможной негативной стороной этой схемы является необходимость во втором ОУ для буферизации и усиления выходного синусоидального сигнала. Требование высокого входного импеданса относится к обоим ОУ. Хотя генератор представлен здесь как сверхнизкочастотный, верхняя граница частотного диапазона этой схемы ограничена лишь произведением коэффициента усиления на полосу пропускания выбранных операционных усилителей. При использовании ОУ с подходящей широкополосностью схема без существенного увеличения искажений будет работать и в верхней части звукового диапазона.
