Недорогой генератор чистого синусоидального сигнала

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2019

Catherine Chang, Philip Karantzalis и Aaron Schultz, Linear Technology

Design Note 564

Не так давно семейство операционных усилителей Linear Technology было расширено приборами с лучшим в отрасли соотношением скорости и напряжения питания. Серия LTC6258/LTC6259/LTC6260 (одиночный, сдвоенный, счетверенный) обеспечивает произведение усиления на полосу пропускания 1.3 МГц при потребляемом токе всего 20 мкА, максимальное напряжение смещения 400 мкВ и rail-to-rail входы и выходы. В сочетании с источником питания 1.8 … 5.25 В этот операционный усилитель (ОУ) позволяет создавать низковольтные приложения с высочайшими характеристиками, низким энергопотреблением и разумной ценой.

Синусоида с низкими искажениями

Речь не идет о том, чтобы пытаться генерировать синусоиду с искажениями –100 дБн с помощью маломощного 5-вольтового операционного усилителя. Будет использован другой подход. Создать дешевый низковольтный генератор синусоидального сигнала с очень низким потреблением мощности можно, объединив простой маломощный генератор прямоугольных импульсов с полосовым фильтром, использующим LTC6258.

Активный фильтр

Полосовой фильтр на Рисунке 1 связан с входом по переменному току. Благодаря этому вход LTC6258 не нагружает предыдущий каскад, позволяя использовать весь диапазон синфазных напряжений. Смещение для полосового фильтра на микросхеме LTC6258 задает простой резистивный делитель RA1, RA2. Привязка входов операционного усилителя к фиксированному напряжению помогает уменьшить искажения, которые могут возникнуть при изменениях синфазного напряжения.

Рисунок 1.	Полосовой фильтр 10 кГц.

Центральная частота фильтра равна 10 кГц (Рисунок 2). Точные значения сопротивлений и емкостей могут быть изменены вверх или вниз, в зависимости от того, являются ли более приоритетными низкие шумы резисторов или низкий общий ток потребления. Данная реализация была оптимизирована для низкого рассеяния мощности за счет уменьшения тока в контуре обратной связи. Первоначально емкости конденсаторов C2 и C3 были равны 4.7 нФ или больше, а сопротивления резисторов ниже. В окончательном варианте схемы, оптимизированной для снижения потребления, были использованы конденсаторы 1 нФ и резисторы с более высокими сопротивлениями.

Рисунок 2.	Зависимость усиления и фазы полосового фильтра от частоты.

Помимо рассеиваемой мощности, вторым, но не менее важным аспектом импеданса петли обратной связи является нагрузка rail-to-rail выходного каскада операционного усилителя. Более тяжелые нагрузки, такие как 1 кОм и 10 кОм, значительно снижают усиление петли обратной связи, что, в свою очередь, влияет на точность полосового фильтра. В техническом описании показано, что усиление для большого сигнала при увеличении нагрузки со 100 кОм до 10 кОм уменьшается в 5 раз. Емкости конденсаторов C2 и C3 можно уменьшить, но тогда сопротивление R6 становится еще больше, создавая больше шума на выходе.

Величина добротности для этого полосового фильтра была выбрана небольшой – приблизительно 3. Умеренная, а не высокая добротность дает возможность использовать конденсаторы с допуском 5%. Более высокое значение добротности потребует более точных конденсаторов и, скорее всего, более высокого коэффициента усиления разомкнутого контура на частоте 10 кГц, чем это достижимо при данном импедансе обратной связи. Естественно, низкая добротность приводит к худшему подавлению гармоник, чем более высокая.

Добавление генератора

Маломощный синусоидальный сигнал может быть получен подачей прямоугольных импульсов на полосовой фильтр. Полная схема изображена на Рисунке 3. Микромощный генератор прямоугольных импульсов LTC6906, частота которого с помощью внешнего резистора установлена равной 10 кГц, может управлять относительно легкой нагрузкой, каковой для него являются входные резисторы полосового фильтра. Ток, потребляемый LTC6906 на частоте 10 кГц, составляет 32.4 мкА.

Рисунок 3.	Схема генератора 10 кГц, использующая микросхему LTC6906.

На Рисунке 4 показаны осциллограммы выходных сигналов микросхемы LTC6906 и полосового фильтра. Уровни второй и третьей гармоник синусоиды равны, соответственно, –46.1 дБн и –32.6 дБн. Выходной сигнал составлял от 1.34 В пик-пик до 1.44 В пик-пик со слегка изменяющимся точным уровнем из-за конечного усиления ОУ без обратной связи на частоте 10 кГц. Ток, потребляемый от шины 3 В, не превышает 5 мкА.

Рисунок 4.	Осциллограммы выходных сигналов генератора и фильтра.

Другие усовершенствования

На Рисунке 5 показаны дополнительные улучшения. Маломощный источник опорного напряжения LT6656 позволяет использовать способность LTC6906 и LTC6258 работать при очень низком напряжении питания. При питании от батареи опорный источник обеспечивает напряжение 2.5 В. Фиксированное питание 2.5 В стабилизирует размах выходного сигнала при изменениях входного напряжения. Кроме того, более низкие емкости конденсаторов фильтра с более высокими сопротивлениями резисторов еще больше уменьшают нагрузку на LTC6258, снижая рассеивание мощности и повышая точность фильтра.

Рисунок 5.	Генератор и фильтр со стабилизированным питанием.

Заключение

Серия LTC6258/LTC6259/LTC6260 (одиночный, сдвоенный, счетверенный) обеспечивает произведение усиления на полосу пропускания 1.3 МГц при потребляемом токе всего 20 мкА, максимальное напряжение смещения 400 мкВ и rail-to-rail входы и выходы. В сочетании с источником питания 1.8 … 5.25 В этот операционный усилитель позволяет создавать низковольтные приложения с отличными характеристиками, небольшим энергопотреблением и низкой ценой.

Материалы по теме