Схема инвертора напряжения трансформируется в ПНЧ с быстродействием 1 МГц

Интересно, полезно и забавно, что базовые электронные конструкции часто оказываются полезными в самых разных и удивительно непохожих друг на друга приложениях. На Рисунке 1 показан пример такой схемы. Это схема инвертора напряжения на основе зарядового насоса, первоначально опубликованная в статье «Простой, точный и эффективный инвертирующий зарядовый насос за 1 доллар» [1].

Рисунок 1.	Базовая схема инвертора напряжения, оптимизированная для высокого КПД при частоте 100 кГц и выходном токе в несколько миллиампер.

Сконфигурированный таким образом для применения в качестве инвертора напряжения, насос прост и дешев. Он потребляет от шины 5 В всего около 1 мкА на килогерц (без нагрузки).

Интересный результат получается, если емкость конденсатора зарядового насоса C2 уменьшить на несколько порядков. Это делает ток насоса I_PUMP прямо пропорциональным частоте генератора F_PUMP:

Отталкиваясь от этой идеи, а затем, добавив несколько простых дискретных компонентов, мы превращаем нашу оригинальную схему инвертора в основу недорогого, быстрого (1 МГц) маломощного преобразователя напряжения в частоту. На Рисунке 2 показано, как это сделать.

Рисунок 2.	Модифицированный инвертор напряжения становится экономичным ПНЧ с выходной частотой 1 МГц.

Входной ток, равный отношению V_IN/R1, заряжает конденсатор C3, заставляя транскондуктивный усилитель Q1, Q2 поглощать ток, увеличивая ток конденсатора C1 генератора на триггере Шмитта. Это увеличивает частоту генератора U1c и ток, перекачиваемый элементами U1a, U1b и C2. Так происходит потому, что ток зарядового насоса имеет отрицательную полярность (помните, мы начинали со схемы инвертора напряжения); он замыкает цепь обратной связи, которая постоянно уравновешивает ток насоса, чтобы он был равен входному току:

Транзистор Q3 формирует импульс сброса пилообразного напряжения, который инициирует начало каждого цикла работы генератора. Резистор R6 ограничивает ток разряда C2, чтобы не допустить открывания диодов подложки вывода 1 микросхемы U1, что может украсть часть тока I_PUMP и, таким образом, создать нелинейность. Соотношение сопротивлений R5/R3 выбрано таким, чтобы уравновесить коллекторные токи транзисторов Q2/Q1 при V_IN и F_PUMP, равных нулю, и, тем самым, минимизировать смещение нуля V_IN. Поэтому ошибки линейности и смещения нуля составляют менее 1% от полной шкалы.

Однако это оставляет открытой возможность неприемлемой ошибки масштабного коэффициента, если шина питания логики +5 недостаточно точна.

Что, если нам нужен точный источник опорного напряжения, не зависящий от нестабильности шины +5? На этот вопрос отвечает Рисунок 3.

Рисунок 3.	Параллельный источник опорного напряжения U2 стабилизирует заряд конденсатора C2 до точного напряжения 2.50 В, независящего от шины +5 В.

Однако добавление опорного напряжения увеличивает стоимость компонентов примерно на полдоллара, а максимальный потребляемый ток – приблизительно на полмиллиампера. Эти цифры по-прежнему остаются вполне разумной ценой за точные и быстрые преобразования. Да, для ПНЧ 10-битное разрешение за миллисекунду – это довольно быстро.

Обратите внимание, что сопротивление R1 можно подобрать для реализации практически любого желаемого масштабного коэффициента полной шкалы V_IN.

Ссылка

1. Stephen Woodward. Простой, точный и эффективный инвертирующий зарядовый насос за 1 доллар

Материалы по теме

1. Datasheet NXP 74HC4053