Стивен Вудворд, плодовитый схемотехник, автор более 100 статей, 17 октября 2024 года опубликовал на сайте EDN свою статью «80-мегагерцовый ПНЧ с предварительным делителем и аккумулятором» [1].
Прочитав его статью, я загорелся желанием смоделировать ПНЧ и попытаться разогнать частоту до 100 МГц, если это возможно, сохранив при этом его изначальную простоту и точность. Однако Стивен Вудворд опередил меня [2]! Кстати, я почти закончил свой проект, когда увидел его последнюю версию на сайте EDN.
Я не буду вдаваться в подробности работы схемы, поскольку она очень похожа на схему из вышеупомянутых статей. Однако есть дополнительные функции, и их функциональность была проверена с помощью моделирования.
Особенности
Моя схема преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ) на Рисунке 1 имеет высокоомный входной каскад, который может надежно работать на частотах свыше 100 МГц, может питаться от одного источника 5.25 В (или от одного источника питания 5 В с несколькими дополнительными компонентами) и была успешно смоделирована. Кроме того, предусмотрены настройки для калибровки.
 |
|
| Рисунок 1. | Схема ПНЧ, работающего в диапазоне от 100 кГц до более 100 МГц от одного источника питания 5.25 В, вырабатывающая прямоугольные выходные импульсы с частотой, равной ½ и ¼ от частоты основного генератора. |
Эта схема имеет выход прямоугольных импульсов с частотой, составляющей половину и четверть частоты основного генератора. Во многих случаях эти сигналы будут более полезными, чем очень узкие импульсы генератора, длительность которых будет находиться в диапазоне от 2 до 5 нс.
Микросхема NE555 (U8) формирует сигнал частотой 500 кГц, который поступает как на генератор отрицательного напряжения для источника опорного напряжения –2.5 В, так и на удвоитель напряжения, используемый для получения стабилизированного напряжения 5.25 В, необходимого в случае однополярного питания 5 В. Микросхемы TLA431A (НЕ TL431A) используются в качестве программируемых стабилитронов. В отличие от TL431A, микросхема TLA431A устойчива при любых значениях емкости, подключенной между катодом и анодом.
Предусмотрены две регулировки: потенциометр R11 обеспечивает регулировку как положительного, так и отрицательного смещения, а R9 – коэффициент усиления преобразователя тока в напряжение U2. Я предлагаю использовать R11 для настройки при подаче входного сигнала 100 кГц с амплитудой 5 мВ, а R9 – при подаче сигнала 100 МГц с амплитудой 5 В. Повторяйте эту процедуру по мере необходимости, чтобы добиться максимальной точности схемы.
Возможные ограничения
Возможно, из-за токов утечки диодов и транзисторов эта схема не обеспечивает высокой точности работы на частотах ниже 100 кГц, но я ожидаю, что на более низких частотах она будет работать, по крайней мере, так же хорошо, как схемы Вудворда. Работа на частотах до 1 Гц или 10 Гц, на мой взгляд, нужна в основном для того, чтобы иметь возможность похвастаться, и меня это не волнует.
Я ожидаю, что этот ПНЧ будет полезен в основном на частотах от 100 кГц до 100 МГц, то есть в диапазоне 1:1000. Незначительные токи утечки диодов/транзисторов в диапазоне наноампер и утечки по поверхности печатной платы могут привести к ошибкам линейности на низких частотах. Зарядный ток конденсатора, обеспечиваемый транзистором Q1, находится в диапазоне нескольких микроампер на частоте 100 кГц, а ниже – в диапазоне наноампер. Имея некоторый опыт проведения испытаний на воздействие окружающей среды, я полагаю, что будет сложно построить эту схему так, чтобы она обеспечивала точную работу на частотах ниже 100 кГц в условиях влажности/температуры 75%/50 °C.
Некоторые компоненты
При моделировании в LTspice схема TBH [3] с диодами 1N4148 не давала приемлемых результатов на частотах выше 3.5 МГц при подаче на нее прямоугольных импульсов с временем нарастания/спада 2 нс. Поэтому я использовал диоды Шоттки, которые хорошо работали на частотах выше 25 МГц – максимальной частоты, схемы TBH [1, 3]. Диоды Шоттки имеют несколько более высокий ток утечки, чем 1N4148, но для нормальной работы диодов 1N4148 в данном приложении потребовалось бы деление самой высокой частоты сигнала до 3.5 МГц.
Для управления конденсатором C4 (конденсатором генератора пилообразного напряжения) я использовал два инвертора 74LVC1G14, поскольку не был уверен, что непрерывного пикового или среднеквадратичного тока одного инвертора будет достаточно для сброса конденсатора при работе на частоте вблизи 100 МГц. А использование конденсатора емкостью 25 пФ вместо паразитных емкостей позволяет улучшить работу на низких частотах, поскольку токи утечки составляют меньший процент от тока заряда конденсатора. (Очевидно, что чем больше емкость конденсатора C4, тем больше зарядный ток).
Операционный усилитель
Если вы хотите использовать другой операционный усилитель, изучите его технические характеристики, чтобы убедиться, что потребляемый им ток в худшем случае не превышает 3 мА. Кроме того, он должен обеспечивать необходимый размах напряжения 7.75 В с некоторым запасом. Крайне важно, чтобы напряжение на так называемом rail-to-rail выходе при нагрузке 1.3 мА и максимальной рабочей температуре могло изменяться в пределах 100 мВ от положительной шины питания.
К сведению
Для получения более подробной информации о том, какие усилия потребовались для обеспечения нормальной работы схемы во всем частотном диапазоне, ознакомьтесь со второй версией ПНЧ для диапазона от 1 Гц до 100 МГц, разработанного известным Джимом Уильямсом [4], [5]. Смотрите в [5] примечания к Рисунку 1 и Таблицу 1.
Ссылки
- Stephen Woodward. 80-мегагерцовый ПНЧ с предварительным делителем и аккумулятором
- Stephen Woodward. 100-мегагерцовый ПНЧ с зарядовым насосом TBH
- Stephen Woodward. Прецизионный диодный зарядовый насос
- Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters
- Jim Williams. Преобразователь напряжение-частота с динамическим диапазоном 160 дБ и максимальной частотой 100 МГц
