На Рисунке 1 показан микромощный преобразователь напряжение-частота (ПНЧ). В диапазоне входных напряжений от 0 В до 5 В выходная частота изменяется от 0 кГц до 10 кГц с линейностью 0.05%. Дрейф усиления равен 80 ppm/°C. Максимальный потребляемый ток составляет всего 90 мкА, что почти в 30 раз меньше, чем у доступных в настоящее время ПНЧ. Чтобы понять работу схемы, предположим, что напряжение на неинвертирующем входе усилителя C1 немного ниже, чем на инвертирующем входе (выходное напряжение усилителя C2 низкое). Подача входного напряжения вызывает линейное нарастание напряжения на неинвертирующем входе C1 (осциллограмма A, Рисунок 2). Уровень напряжения на выходе усилителя C1 в это время низкий, а на выходе КМОП инвертора, соответственно, высокий. Это позволяет току течь из эмиттера транзистора Q1 через вывод питания инвертора в конденсатор емкостью 100 пФ. Конденсатор емкостью 2.2 мкФ шунитрует высокие частоты, поддерживая низкий импеданс на эмиттере транзистора Q1. Включенный диодом транзистор Q6 обеспечивает путь к земле. Конденсатор 100 пФ заряжается до напряжения, которое зависит от потенциала эмиттера Q1 и падения напряжения на Q6. Когда уровень пилообразного напряжения на неинвертирующем входе C1 станет достаточно высоким, выход C1 переключается в высокое состояние (осциллограмма B), а выход инвертора – в низкое (осциллограмма C). Ограничительный диод Шоттки защищает КМОП инвертор от перегрузки по входу. Это позволяет току вытекать из конденсатора, подключенного к неинвертирующему входу, через транзистор Q5 и конденсатор 100 пФ (осциллограмма D). Этот отбор тока сбрасывает пилообразное напряжение на неинвертирующем входе C1 до потенциала, немного более низкого, чем уровень земли, вследствие чего уровень сигнала на выходе усилителя C1 становиться низким. Конденсатор 50 пФ обеспечивает положительную обратную связь по переменному току, гарантируя, что выходное напряжение C1 будет оставаться положительным достаточно долго, чтобы конденсатор 100 пФ успел полностью разрядиться. Диод Шоттки защищает вход C1 от чрезмерного отрицательного синфазного напряжения. Когда обратная связь через конденсатор 50 пФ ослабевает, на выходе C1 вновь устанавливается низкий уровень, и весь цикл повторяется. Частота колебаний напрямую зависит от тока, создаваемого входным напряжением.
 |
|
| Рисунок 1. | Потребляя ток всего 90 мкА, ПНЧ достигает линейности 0.05%. |
Напряжение эмиттера Q1 должно тщательно контролироваться. Транзисторы Q3 и Q4 предназначены для термокомпенсации напряжений база-эмиттер транзисторов Q5 и Q6, а Q2 – для термокомпенсации транзистора Q1. Микросхема источника тока LM334 обеспечивает стек из двух источников опорного напряжения LT1034 током 35 мкА. Токовое управление гарантирует превосходную нечувствительность к изменению напряжения питания (менее 40 ppm/В), а также улучшает температурный коэффициент схемы. Это достигается за счет использования температурного коэффициента LM334 0.3%/°C для небольшой температурной модуляции падения напряжения на тройке транзисторов Q2-Q4. Знак и величина этой коррекции прямо противоположны знаку и величине температурного коэффициента емкости полистирольного конденсатора 100 пФ (–120 ppm/°C), что улучшает общую стабильность схемы.
 |
|
| Рисунок 2. | Формы сигналов в схеме микромощного ПНЧ. |
Эмиттерный повторитель Q1 эффективно заряжает конденсатор 100 пФ. Как базовый, так и коллекторный токи проходят в конденсатор. КМОП инвертор обеспечивает двухпозиционное переключение опорного сигнала, не внося больших потерь ни по цепи сигнала, ни по цепи управления. Конденсатор 100 пФ потребляет только небольшие переходные токи во время циклов заряда и разряда. Цепь положительной обратной связи, образованная элементами 50 пФ и 47 кОм, потребляет незначительно малые коммутационные токи. Приведенный на Рисунке 3 график зависимости потребляемого тока от рабочей частоты подтверждает низкое энергопотребление конструкции. При нулевой частоте вклад в потребляемый ток вносится только собственным током микросхемы LT1017 и током смещения эталонного стека 35 мкА. Других путей потерь нет. Как видно из графика, по мере увеличения частоты циклы заряда/разряда конденсатора 100 пФ увеличивают ток на 1.5 мкА/кГц.
 |
|
| Рисунок 3. | Зависимость потребляемого тока от выходной частоты ПНЧ. |
Запуск схемы или ее перегрузка по входу могут привести к защелкиванию цепи обратной связи по переменному току. Если это происходит, выходной уровень усилителя C1 становится высоким. Это изменение отражается на выходе инвертора и обнаруживается усилителем C2 с задержкой, определяемой элементами 2.7 МОм и 0.1 мкФ, после чего напряжение на его выходе также становится высоким. В результате на инвертирующем входе C1 напряжение повышается, а неинвертирующий вход соединяется с землей через транзистор Q7, и нормальная работа схемы восстанавливается.
Поскольку зарядовый насос напрямую подключен к выходу C1, схема имеет очень малое время отклика. При быстром скачке входного напряжения выходная частота устанавливается в течение одного цикла. Для калибровки этой схемы следует подать на нее 50 мВ и подобрать на входе такое сопротивление, чтобы выходная частота равнялась 100 Гц. Затем, подав на схему 5 В, нужно установить входным потенциометром частоту 10 кГц.
Купить LM334 на РадиоЛоцман.Цены
