Высокочастотный генератор на основе операционного усилителя с обратной связью по току

Усилитель с обратной связью по току – это хорошо известный компонент, имеющий множество применений. Из базовой структурной схемы такого усилителя видно, что его входной каскад представляет собой повторитель напряжения – на практике симметричный эмиттерный повторитель (Рисунок 1). Схема с большим входным сопротивлением преобразует входной ток в напряжение, которое усиливается на выходе с помощью мощного усилителя с низким выходным сопротивлением. Идея состоит в том, чтобы использовать входной каскад усилителя в качестве повторителя напряжения в базовой конфигурации генератора Колпитца. В этой схеме неинвертирующий вход усилителя с обратной связью по току используется в качестве входа повторителя, а инвертирующий вход усилителя – в качестве выхода повторителя. Для получения относительно мощного буферизованного выходного сигнала используется выходной усилитель микросхемы. На Рисунке 2 показана базовая схема генератора Колпитца, в котором функцию активного элемента выполняет повторитель входного напряжения усилителя.

Рисунок 1.	В типичном усилителе с обратной связью по току входной каскад представляет собой повторитель напряжения.

Обратите внимание на два аспекта этой схемы генератора. Во-первых, к контуру подключены встречно-параллельные диоды, ограничивающие размах колебаний до определенного уровня, чтобы поддерживать линейность повторителя напряжения. Во-вторых, для улучшения линейности и задания величины обратной связи выход повторителя напряжения подключается к отводу (средней точке емкостного делителя) контура через резистор R_OSC. Сопротивление R_OSC, равное 330 Ом, позволяет получить мягкое диодное ограничение напряжения на контуре (V_RES = 1 В пик- пик, что соответствует пиковому напряжению 0.5 В на каждом диоде). На Рисунке 3 показана осциллограмма напряжения V_RES в верхней точке контура. R_F – это резистор обратной связи усилителя, сопротивление которого рекомендует производитель усилителя. В этой схеме использована микросхема LM6181, а сопротивление резистора R_F равно 1 кОм.

Рисунок 2.	Этот генератор Колпитца на основе усилителя с обратной связью по току обеспечивает чистый синусоидальный выходной сигнал.

Рисунок 3.	Осциллограмма показывает, что сигнал VRES в верхней точке контура на Рисунке 2 представляет собой чистую синусоиду.

Выходное напряжение легко рассчитать:

V_RES = 1 В пик-пик

и

V_INV = V_RES = 1 В пик-пик.

Буфер напряжения имеет единичное усиление:

Напряжение на отводе контура равно V_RES/2, поскольку емкости конденсаторов равны.

Благодаря отрицательной обратной связи ток инвертирующего входа усилителя равен нулю. 

Если выходное напряжение нужно увеличить, можно между инвертирующим входом и землей включить резистор R_G – в данном случае 100 Ом.

Теперь ток через резистор R_F равен сумме токов через R_OSC и R_G. Поэтому

Осциллограмма выходного сигнала V_OUT показана на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Генератор Колпитца на Рисунке 2 выдает чистый синусоидальный сигнал.

Максимальный выходной ток усилителя LM6181 составляет 100 мА, поэтому он может легко отдавать ток ±63 мА пик-пик (±6.3 В/100 Ом) в общую нагрузку 100 Ом (выходной согласующий резистор R_TERM = 50 Ом и нагрузочный резистор R_LOAD = 50 Ом). Напряжение на 50-омной нагрузке равно 3.15 В пик-пик или 2.23 В с.к.з., что близко к 20 дБм (100 мВт). Этот уровень мощности позволяет напрямую управлять двойными балансными диодными смесителями или усилителем мощности, обеспечивая при этом чистую синусоидальную форму сигнала. Схему контура можно изменить, чтобы добавить в нее различные элементы настройки. На основе этой схемы можно сделать кварцевый генератор, заменив катушку индуктивности кварцевым резонатором и изменив емкости конденсаторов контура на соответствующие значения, например, 2 × 68 пФ. Чтобы обеспечить ток смещения на неинвертирующем входе, его потребуется соединить с землей резистором большого номинала, например, 10 кОм.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LM6181
2. Datasheet NXP BAV99