Еще в далеком 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. Я никогда не видел ничего подобного. Конечно, маленькая схема на Рисунке 1, достигающая предела в районе 20 МГц, и близко не стоит.
 |
|
| Рисунок 1. | Зарядовый насос с «возвратом половины» (TBH) обеспечивает простому ПНЧ приемлемые характеристики на частоте 20 МГц. |
Однако, несмотря на то, что ПНЧ на Рисунке 1 остался в тени Конга, он в несколько раз быстрее, чем коммерчески доступные ПНЧ (например, 4-мегагерцовый VFC110), и при этом удобно работает, потребляя менее 10 мА от одного источника +5 В.
То, что позволяет ему работать на такой высокой выходной частоте (без сложностей Кинг-Конга), – это (главным образом) самокомпенсирующийся диодный зарядовый насос, в котором реализован метод TBH (take-back-half, забрать половину), описанный в предыдущей статье «Прецизионный диодный зарядовый насос» [2]. Мы скоро к этому вернемся.
А пока, вот краткий обзор.
Входной сигнал полной шкалы 0-1 мА, измеряемый резистором R1, интегрируется конденсатором C1, в результате чего происходит нарастание выходного сигнала входного усилителя и включение источника втекающего тока на транзисторе Q1. Втекающий ток снижает напряжение на выводе 1 триггера Шмитта U1 до тех пор, пока не будет пересечен его отрицательный уровень срабатывания (примерно 1.5 В). Это запускает каскад переходов через линию задержки, образованную цепочкой из трех инверторов. Распространение сигнала по цепочке занимает около 20 нс. Появившийся на выводе 6 импульс через диод D5 проходит обратно на вывод 1, останавливает нарастание напряжения и пересекает положительный уровень срабатывания триггера. Это инициирует дополнительный импульс через цепочку, в конечном итоге завершая цикл примерно за 40 нс.
Таким образом, частота генератора (очень приблизительно) пропорциональна входному току через резистор R1. Задача насоса и операционного усилителя – сделать это точно. Для этого используется насос TBH с двумя забавно выглядящими встречно-параллельными парами диодов D1/D2 и D3/D4.
Через диоды D3 и D4 в конденсатор C1 подается балансирующий входной ток отрицательной обратной связи, который теоретически равен –100 мкА/МГц, но на практике уменьшается из-за ошибок, вызванных различными неидеальностями диодов. К ним относятся прямое падение напряжения, время обратного восстановления, паразитные и шунтирующие емкости и т. д.
Между тем, через противоположно включенные диоды D1 и D2 в конденсатор C1 подается положительный ток обратной связи, который (опять же теоретически) равен +50 мкА/МГц, но на практике уменьшается из-за точно такого же проблемного списка неидеальностей, перечисленных для D3 и D4.
Следовательно, когда два противоположных тока суммируются в C1, члены ошибок аккуратно взаимно уничтожаются, оставляя только желаемый –(100 – ошибка) + (50 – ошибка) = –50 мкА/МГц точный ток отрицательной обратной связи, что дает:
Несколько менее сжатое описание смотрите в статье «Прецизионный диодный зарядовый насос» [2].
Вот несколько замечаний к конструкции.
Сопротивление базового резистора транзистора Q1 было выбрано в соответствии с диапазоном значений бета из технического описания 2N3904; оно должно быть достаточно низким, чтобы обеспечить адекватный ток коллектора для полных 20 МГц, но достаточно высоким, чтобы не допустить чрезмерного проседания напряжения на D5 и на выводе 6 микросхемы U1 и подавления генерации из-за невозможности достижения положительного порога триггера на выводе 1. Это последнее условие потенциально может привести к защелкиванию преобразователя.
Подавитель утечек резистор R4 не позволяет суммарному току утечек элементов U1, D5 и Q1 смещать ноль генерируемых колебаний, даже если операционный усилитель выключил транзистор Q1.
Если вы не cможете найти применение оставшимся неиспользуемым элементам микросхемы U1, обязательно заземлите их плавающие входы или привяжите их к +5 В.
Ссылки
- Williams, Jim. “Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters.”
- Stephen Woodward. Прецизионный диодный зарядовый насос
Купить SN74AC14 на РадиоЛоцман.Цены
