В 1986 году известный новатор в области аналоговых технологий Джим Уильямс в книге «Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters – Проекты высококачественных преобразователей напряжения в частоту» [1] опубликовал схему своего «Кинг-Конга» – 100-мегагерцового ПНЧ. Если кто-то и делал более быстрый ПНЧ, то я его не видел. Однако Рисунок 1 беззастенчиво заимствует несколько секретов скорости Конга и объединяет их с некоторыми другими простыми трюками, чтобы достичь 80% от потрясающей скорости Конга. Я назвал это «Кид Конг» (Kid – ребенок, ред.).
Рисунок 1. | ПНЧ «Кид Конг» с насосом TBH и предварительным делителем на КМОП микросхеме может работать на частоте 80 МГц. |
Что позволяет Киду работать на максимальной выходной частоте, сопоставимой с Конгом, при значительно меньшей сложности (примерно вдвое меньше деталей), чем у Кинга? Отчасти это самокомпенсирующийся диодный зарядовый насос с возвратом половины (TBH), описанный в предыдущей статье «Прецизионный диодный зарядовый насос» [2]. Кроме того, в этом ему помогает быстродействие семейства экономичных логических микросхем AC, которое было тогда совершенно новым и стало доступным только в 1986 году. Джим использовал логические микросхемы, изготавливаемые по более зрелой на то время технологии, в основном ЭСЛ.
Сердцем схемы (несколько тахикардическим!) на Рисунке 1 является суперпростой генератор пилообразного напряжения на элементах Q1, U1a и D5. Ток коллектора транзистора Q1 разряжает несколько пикофарад паразитной емкости, вносимой его собственным коллектором, входом триггера Шмитта U1, диодом D5 и (как можно меньше, пожалуйста) межсоединениями. Время распространения сигнала в U1, измеряемое единицами наносекунд, позволяет частоте колебаний изменяться от полной остановки (гарантируемой подавляющим утечки резистором R4) до значений, превышающих 80 МГц (но не достигающих надежно 100 МГц). Таким образом, корона Короля Скорости остается в безопасности (King – король, ред.).
В каждом цикле, когда транзистор Q1 опускает напряжение на выводе 1 микросхемы U1 до уровня переключения, U1 через диод Шоттки D5 отвечает импульсом обратной связи длительностью примерно 5 нс, который сбрасывает пилу. Это возвращает напряжение на выводе 1 выше положительного уровня переключения и запускает следующий цикл колебаний. Поскольку скорость спада пилы (более или менее) пропорциональна току транзистора Q1, который (как бы) пропорционален выходному напряжению усилителя A1, частота колебаний (в общих чертах) пропорциональна этому напряжению. Акцент делается на словах «в общих чертах».
Но обратная связь через зарядовый насос TBH, суммирование с входным напряжением на резисторе R1 на неинвертирующем входе интегратора A1, выход A1 на транзистор Q1 и далее на вывод 1 микросхемы U1 преобразует «в общих чертах» в «точно». А что же делает U3?
Самокомпенсация насоса TBH позволяет ему точно дозировать заряд на частоте 20 МГц, но 80 МГц – это уж слишком много. Двухразрядный счетчик-предделитель со сквозным переносом U3 решает эту проблему.
U3 также предоставляет возможность (обратите внимание на перемычку J1) заменить высококачественное опорное напряжение 5.000 В (VREF) на напряжение логической шины 5 В с сомнительной точностью. На Рисунке 2 приведена схема, позволяющая это сделать: 250-килогерцовый диодный зарядовый насос повышает напряжение на шине примерно до 8 В, которое затем стабилизируется до точных 5.000 В. Максимальный ток, потребляемый счетчиком U3, включая отдаваемый в зарядовый насос, составляет около 18 мА на частоте 80 МГц, на что, к счастью, рассчитана микросхема источника опорного напряжения LT1027. Все просто.
Рисунок 2. | Схема повышения напряжения шины и прецизионный источник опорного напряжения 5.000 В. |
Предварительный делитель на 16 с аккумулятором U2 позволяет использовать встроенные счетчики-таймеры микроконтроллера с частотой до 5 МГц для получения выходного сигнала ПНЧ с полным разрешением 80 МГц. Он описан в более ранней статье [3]. Пожалуйста, обратитесь к ней за подробным объяснением.
Ссылки
- Williams, Jim. "Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters."
- Stephen Woodward. Прецизионный диодный зарядовый насос
- Stephen Woodward. Предварительный делитель/аккумулятор обрабатывает выходные сигналы ПНЧ, которые слишком быстры для таймера микроконтроллера