Генератор сигналов специальной формы с минимальной зависимостью амплитуды от напряжения питания

Инженеры уже давно используют схемы генераторов колебаний специальной формы, основанные на аналоговых интеграторах и компараторах с большим гистерезисом. Выходные сигналы этих схем часто зависят от изменений температуры, напряжения источника питания, тока нагрузки и разброса параметров компонентов. Однако, используя схему на Рисунке 1, в классический генератор треугольных/прямоугольных импульсов можно вдохнуть новую жизнь. В этой схеме используются прецизионный источник опорного напряжения и диодная цепь (элементы IC₁, IC₂ и IC₆), сдвоенный однополюсный двухпозиционный аналоговый коммутатор IC₃, интегратор IC₄, и компаратор IC₅. В результате получается генератор пилообразных и прямоугольных импульсов, сохраняющий стабильность амплитуды выходного сигнала, независимо от воздействия всех перечисленных негативных факторов. Для достижения стабильного большого гистерезиса в схеме используется метод коммутации опорных напряжений на входе компаратора IC₅. В статьях [1] и [2] содержится более подробная информация, в частности о том, как диоды с барьером Шоттки в IC₆ подавляют инжекцию заряда.

Рисунок 1.	Создание гистерезиса путем переключения прецизионных опорных напряжений в генераторе сигналов обеспечивает высокую нечувствительность амплитуды треугольных импульсов к изменениям напряжения питания.

Изначально напряжение на выходе компаратора IC₅ имеет низкий уровень, поэтому к его инвертирующему входу через аналоговый коммутатор ADG736 (IC₃) подключено положительное опорное напряжение, V_REF+. Одновременно переключатель S₂ подключает отрицательное опорное напряжение V_REF– к резистору R_I интегратора. При низком напряжении на выходе компаратора выходное напряжение интегратора V_INT линейно нарастает, пока не достигнет положительного порога компаратора V_REF+. Выходной уровень компаратора меняется на высокий, вследствие чего включаются каналы B обоих мультиплексоров, а каналы A размыкаются.

Когда положения переключателей меняются, интегратор начинает интегрировать положительное опорное напряжение V_REF+, и V_INT линейно уменьшается, пока не достигнет уровня отрицательного порога компаратора V_REF–. Затем цикл повторяется. Напряжения V_REF+ и V_REF– создаются биполярным опорным источником, содержащим микросхемы IC₁ и IC₂. Эта часть схемы представляет собой небольшую модификацию схемы из более ранней статьи [3].

По мере повторения циклов нарастания/спада на выходе интегратора формируются симметричные треугольные импульсы V_INT, а на выходе компаратора – прямоугольные импульсы V_COMP. Амплитуда V_INT примерно равна
 
Коэффициент заполнения прямоугольных импульсов близок к 50%. Пороги компаратора не зависят от выходной нагрузки, так как они получены от прецизионного источника опорных напряжений. Поэтому схема имеет низкую чувствительность частоты повторения выходных импульсов к изменениям напряжения питания и нагрузки. В упрощенной модели генератора амплитуда треугольных импульсов на выходе интегратора больше не зависит от изменений напряжения питания.

Эксперимент показал, что увеличение напряжения питания V_S с 5.0365 до 5.437 В увеличивает амплитуду треугольных импульсов на 2.85 мВ, что составляет 0.285% от полной шкалы. При тех же условиях в классическом генераторе треугольных/прямоугольных импульсов увеличение амплитуды обычно составляет 8%. Таким образом, эта схема снижает зависимость амплитуды от изменения напряжения питания примерно в 28 раз.

При тестировании этой схемы можно ожидать, что при напряжении питания 5.0365 В выходная частота будет равна 1.366 МГц. При напряжении питания 5.437 В выходная частота составит 1.368 МГц. Частота повторения задается постоянной времени. В данном случае – для идеального компаратора и идеальных переключателей – частота повторения равна единице, деленной на четыре постоянных времени. Задержка распространения компаратора и время включения/выключения переключателей уменьшают частоту повторения ниже идеального значения.

Ссылки

1. Marián Štofka. Два опорных напряжения повышают точность гистерезиса
2. Marián Štofka. Диоды Шоттки улучшают реакцию компаратора на переходные процессы
3. Marián Štofka. Точный биполярный источник опорного напряжения

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD8475
2. Datasheet Analog Devices ADA4899-1
3. Datasheet Analog Devices ADCMP601
4. Datasheet Analog Devices ADG736
5. Datasheet Analog Devices ADR431
6. Datasheet Avago Technologies HSMS-282P