Линейность треугольных сигналов делает генератор треугольных импульсов полезным в схемах развертки и испытательном оборудовании. Например, импульсные источники питания и схемы управления асинхронными двигателями часто содержат генератор треугольных импульсов как часть их схемы ШИМ (широтно-импульсного модулятора).
Простейший генератор треугольных импульсов состоит из интегратора для формирования линейно изменяющегося напряжения и компаратора с внешним гистерезисом, например, триггера Шмитта, для установки амплитуды выходного сигнала (Рисунок 1). Все эти компоненты можно найти в микросхеме MAX9000, содержащей быстродействующий операционный усилитель, 185-наносекундный компаратор и прецизионный источник опорного напряжения (ИОН) 1.23 В, равного ширине запрещенной зоны.
 |
|
| Рисунок 1. | Простейший генератор треугольных импульсов состоит из интегратора для формирования линейно изменяющегося напряжения и компаратора с внешним гистерезисом, например, триггера Шмитта, для установки амплитуды выходного сигнала. |
Интегрирование постоянного тока, создаваемого постоянным напряжением, приложенным к резистору, дает на выходе операционного усилителя линейно нарастающее напряжение. Это выходное напряжение поступает на триггер Шмитта, с выхода которого подается обратно на резистор интегратора. Резкие изменения состояния на выходе триггера Шмитта определяют напряжения пиков выходных треугольных импульсов. Эти изменения, в свою очередь, зависят от входных пороговых напряжений, установленных для триггера Шмитта.
К сожалению, пики треугольных импульсов в этой схеме должны быть симметричны относительно опорного напряжения, подаваемого на инвертирующий вход компаратора. Например, чтобы получить треугольные импульсы размахом от 0.5 до 4.5 В, требуется опорное напряжение (0.5 В + 4.5 В)/2 = 2.5 В.
Было бы предпочтительнее сделать этот диапазон напряжений независимым от напряжения запрещенной зоны опорного источника 1.23 В. Этого можно добиться, добавив резистор R3 в цепь гистерезиса в версии схемы генератора на одной микросхеме (Рисунок 2). R3 позволяет устанавливать уровни пиков треугольных импульсов независимо от опорного напряжения.
 |
|
| Рисунок 2. | В генераторе треугольных импульсов используется микросхема, содержащая операционный усилитель, компаратор и источник опорного напряжения. |
Чтобы построить компаратор с гистерезисом, сначала нужно выбрать сопротивление резистора R2. Ток смещения входа CIN+ компаратора составляет менее 80 нА. Для минимизации ошибки, создаваемой эти током, ток через резистор R2, равный
должен составлять как минимум 8 мкА. Чтобы найти сопротивление резистора R2, нужны две формулы, соответствующие двум возможным состояниям выхода компаратора:
и
Следует использовать меньшее из двух полученных значений сопротивления. Например, если напряжение питания равно 5 В, опорное напряжение равно 1.23 В и опорный ток равен 8 мкА, формулы дают два значения сопротивления R2: 471.25 кОм и 153.75 кОм. Поэтому в данной схеме используется стандартное значение 154 кОм.
Затем выбирают сопротивления R1 и R3. Во время нарастания треугольного импульса уровень сигнала на выходе компаратора имеет низкий логический уровень (VSS). Аналогично, во время спада импульса уровень сигнала на выходе компаратора имеет высокий уровень (VDD). Таким образом, состояние компаратора должно изменяться в соответствии с требуемыми положениями пика и минимума треугольного импульса.
Применение метода узловых потенциалов к неинвертирующему входу компаратора дает систему из двух уравнений, которые надо решить для двух значений порога:
и
где VIH и VIL – напряжения верхнего и нижнего порогов компаратора, соответственно.
В данном примере диапазон напряжений треугольных импульсов составляет от 0.5 до 4.5 В. Поэтому в последние два уравнения нужно подставить VIH = 4.5 В, VIL = 0.5 В, VDD = 5 В и VREF = 1.23 В, чтобы получить сопротивление 124 кОм для R1 и 66.5 кОм для R3.
Теперь можно спроектировать интегратор. Учитывая два возможных состояния выхода компаратора, величина тока, протекающего через резистор R4, равна
или
Максимальный входной ток смещения ОУ составляет 2 нА. Поэтому для минимизации ошибки ток через резистор R4 всегда должен быть больше 0.2 мкА. Это ограничение означает, что сопротивление R4 должно быть меньше 6.12 МОм.
Частота треугольных импульсов равна
В этом примере частота составляет 25 кГц, пиковое выходное напряжение для треугольных импульсов равно 4 В (от 0.5 до 4.5 В), а опорное напряжение равно 1.23 В. Из последней формулы можно найти, что при этих значениях постоянная времени R4C должны быть равна 9.27 мкс. Для этого емкость конденсатора нужно выбрать равной 220 пФ, а сопротивление резистора R4 – 42.2 кОм.
Если операционный усилитель не имеет ограничения по скорости нарастания, частота полученного выходного сигнала должна соответствовать желаемому значению. Поскольку конденсатор обратной связи заряжается или разряжается постоянным током, максимальная скорость изменения выходного сигнала составляет
Чтобы учесть производственный разброс параметров, при выборе операционного усилителя следует обеспечить запас по типовой скорости нарастания, которая должна быть на 40% выше, чем максимальная скорость изменения выходного сигнала, – в данном случае 0.56 В/мкс или больше. Скорость нарастания операционного усилителя составляет 0.85 В/мкс, что вполне достаточно для этих импульсов частотой 25 кГц (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Скорость нарастания операционного усилителя составляет 0.85 В/мкс, что вполне достаточно для этих импульсов частотой 25 кГц. |
Ссылка
- Terrell, David L, Op Amps: Design, Application and Troubleshooting, Butterworth-Heinemann, 1996.
Купить MAX9000 на РадиоЛоцман.Цены
