Схема ШИМ на операционном усилителе

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2019

Ferran Bayes

EDN

Эта схема напоминает схему, описанную в [1], но отличается от нее большей простотой. Схема формирует прямоугольные импульсы, коэффициент заполнения которых изменяется между 0 и 100% в соответствии с входным сигналом постоянного напряжения, изменяющимся от 0 до 5 В (Рисунок 1). Как и в вышеупомянутой схеме, частота не постоянна (Рисунок 2), но схема настолько проста, что в определенных приложениях может быть полезна. Благодаря гистерезису, создаваемому резистором R₂, и RC-цепочке с постоянной времени R₃C₁, компаратор превращается в генератор прямоугольных импульсов (Рисунок 3). Напряжение V– на инвертирующем входе колеблется между двумя пороговыми уровнями V_TH и V_TL. Если предположить, что R₂ >> R₁, то напряжение V+ всегда будет очень близким к V_IN. Цепь R₃C₁ усредняет выходной сигнал V_OUT, а постоянное напряжение на входе V– пропорционально коэффициенту заполнения V_OUT. Замкнутая петля обратной связи стремится сделать напряжение V– равным V+, поэтому коэффициент заполнения импульсов на выходе V_OUT пропорционален V_IN.

Рисунок 1.	Эта управляемая напряжением схема ШИМ является воплощением простоты.

Рисунок 2.	Зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения имеет нелинейный характер.

Рисунок 3.	Напряжение на инвертирующем входе изменяется линейно.

Напряжение V_OH определяет как высокий уровень выходного сигнала, так и диапазон полной шкалы управляющего напряжения V_IN. Оно может иметь любое значение, не выходящее из диапазона допустимых синфазных входных напряжений компаратора. Математический анализ схемы будет прост, если, учитывая, что разность V_TH – V_TL мала, экспоненциальную характеристику заряда и разряда C₁ аппроксимировать линейной зависимостью. Во время фазы заряда ток приблизительно равен (V_OH – V_IN)/3, поэтому:

Аналогично, во время фазы разряда можно считать, что ток равен V_IN/3, и

Сопоставление двух уравнений дает

и коэффициент заполнения D равен

Можно видеть, что коэффициент заполнения прямо пропорционален V_IN. При V_IN = 0 В он равен 0%, а при V_IN = V_OH равен 100%. Более того, коэффициент заполнения по существу не зависит от номиналов компонентов, при соблюдении ограничения R₂ >> R₁, необходимого для того, чтобы гистерезис оставался небольшим. Обратная зависимость между коэффициентом заполнения и V_OH может быть полезна в некоторых приложениях, поэтому V_OH можно рассматривать как дополнительный вход. Выходная частота соответствует соотношению

достигая своего максимума при V_IN = V_OH/2.

Сравнительные испытания схемы с КМОП компаратором TLC393 и биполярным LM393 показали, что с TLC393 схема лучше работает при низких входных напряжениях V_IN благодаря более низкому уровню нуля на выходе. Не допускайте перегрузки выхода компаратора; используйте при необходимости буфер, поскольку нагрузка может ухудшать уровни выходных сигналов.

Ссылки

Материалы по теме