Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о стабилизаторах тока и о генераторе пилообразного напряжения, в котором применён источник стабильного тока, что позволяет получить пилообразный импульс с высокой линейностью рабочего хода. В данной статье я продолжу рассказывать о том, как улучшить линейность пилообразного напряжения.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Как известно линейность пилообразного напряжения в генераторе обеспечивается постоянством тока зарядки (разрядки) конденсатора. Постоянство тока зависит от напряжения на резисторе RC-цепи генератора пилообразного напряжения. В генераторах со стабилизаторами тока напряжения на резисторе поддерживается стабилизатором напряжения (диодным или транзисторным), но существует класс генераторов пилообразных импульсов, в которых постоянство напряжения на резисторе RC-цепи поддерживается с помощью обратной связи – отрицательной (ООС) или положительной (ПОС). Обратная связь как бы компенсирует напряжение на резисторе, тем самым поддерживая его на одном уровне, поэтому такие генераторы пилообразного напряжения называются генераторами компенсационного типа или генераторы с компенсирующей ЭДС.

Генератор пилообразного напряжения с положительной обратной связью

Особенностью данного генератора пилообразного напряжения заключается в том, что компенсация напряжения на резисторе RC-цепи происходит за счёт ввода дополнительного источника питания непосредственно в RC-цепь. Структурная схема генератора такого типа изображена ниже

Структурная схема генератора пилообразного напряжения компенсационного типа с положительной обратной связью (ГПН ПОС).

Данная схема состоит из ключевого прибора, интегрирующей RC-цепи, усилителя в цепи обратной связи с единичным коэффициентом передачи (К = 1) и дополнительного источника питания.

В качестве усилителя в цепи обратной связи обычно используется эмиттерный повторитель, что позволяет к выходу генератора пилообразного напряжения подключать низкоомную нагрузку. Недостатком данной схемы является то, что дополнительный источник питания изолирован от общего провода, поэтому источник питания заменяется конденсатором сравнительно большой емкости, который заряжается от общего источника питания. Ниже представлена схема, которая реализует данный принцип работы

Принципиальная схема генератора пилообразного напряжения с положительной обратной связью.

В состав схемы входят:

• входная цепь R1C1;
• коммутирующий элемент транзистор VT1 с резистором R2;
• интегрирующая цепь R3C2;
• эмиттерный повторитель на транзисторе VT2 и резисторе R4;
• конденсатор C3, выполняющий роль дополнительного источника питания;
• диод VD1, который отключает цепь R3C2 от источника питания E_K.

Рассмотрим работу данной схемы. В исходном состоянии транзистор VT1 насыщен и находится в открытом состоянии, ток, протекающий через коллекторный переход транзистора VT1, ограничен сопротивлением резистора R3 и составляет

[math]I_{K VT2} = \frac{E_{K} — U_{VD1}}{R3}[/math]

• где E_K – напряжение источника питания,
• U_VD1 – падение напряжения на диоде VD1, U_VD1 ≈ 0,7 В.

Напряжение на конденсаторе C2 определяется напряжение насыщения коллектор-эмиттер ключевого транзистора. Напряжение на выходе эмиттерного повторителя (резистор R4) повторяет напряжение на входе (конденсатор C2) по фазе, а по амплитуде меньше входного на величину падения напряжения база-эмиттер (U_BE ≈ 0,7 В). Диод VD1 находится в открытом состоянии, а конденсатор C3 заряжен до начального напряжения

[math]U_{0 C3} = E_{K} — U_{VD1}[/math]

При подаче на вход схемы импульса отрицательной полярности транзистор VT1 закрывается и конденсатор C2 начинает заряжаться через цепь VD1R3. По мере роста напряжения на конденсаторе С2, также растёт напряжение на выходе эмиттерного повторителя. Увеличение выходного напряжения через конденсатор С3 передается на катод диода VD1, вследствие чего потенциал на катоде диода становится выше потенциала анода диода и он закрывается, тем самым отключая цепь R3C2 от источника питания.

Дальнейшая работа схемы объясняется действием ПОС (положительной обратной связи) через ЭП (эмиттерный повторитель на транзисторе VT2 и резисторе R4) и конденсатор С3. После закрытия диода VD1 заряд конденсатора С2 начинает осуществляться от конденсатора С3 большой емкости. Так как рост напряжения на конденсаторе С2 практически полностью передаётся на выход ЭП, то напряжение цепи С3R4 будет равняться напряжению в цепи R3C2. Таким образом ток заряда конденсатора С2 останется неизменным, то есть рост напряжение на нём будет происходить по линейному закону.

Компенсация напряжения будет происходить до тех пор, пока транзистор VT2 работает в усилительном режиме, то есть при достижении напряжения между коллектором и эмиттером VT2 равном 0,5…1 В, так как при этом напряжении транзистор начинает переходить в режим насыщения. Поэтому максимальное напряжение на выходе схемы может достигать

[math]U_{m} = E_{K} — (0,5 … 1)[/math]

Таким образом, коэффициент использования напряжения будет достаточно высоким ε ≈ 0,8…0,9.

После окончания действия управляющего импульса начинается стадия восстановления генератора, которая состоит из двух этапов:

• разряд конденсатора С2 через транзистор VT1. На данном этапе транзистор переходит в режим насыщения и конденсатор С2 начинает разряжаться, по мере разряда потенциал на катоде диода уменьшается и в конце разряда конденсатора С2 диод открывается и начинается второй этап;
• заряд конденсатора С3 от источника E_K. На данном этапе конденсатор С3 заряжается через резистор R4 и диод VD1. При этом длительность обратного хода составит

[math]T_{O} = 3 * C3 * (R4 + R_{VD1})[/math]

где R_VD1 – сопротивление диода в открытом состоянии.

Генератор данного типа имеет высокую линейность пилообразного импульса (коэффициент нелинейности ε ≤ 5 %) и высокий коэффициент использования напряжения (ξ ≈ 0,9).

Когда необходимо получить высокую линейность сигнала емкости конденсатора С3 и сопротивление резистора R3 необходимо брать достаточно высокими, что приводит к увеличению длительности восстановления генератора Т_О. Для решения данной проблемы применяют следующие решения:

• использование в качестве транзистора VT2 составного из двух транзисторов включённых по схеме Дарлингтона или Шиклаи, что приводит к увеличению общего коэффициента передачи и позволяет уменьшить величину сопротивления R4;
• введение дополнительного источника питания в цепи эмиттера, в данном случае длительность обратного хода составит

[math]T_{O} = 3 * C3 * (R4 + R_{VD1}) * \frac{U_{m}}{E_{E}}[/math]

Схема генератора пилообразного напряжения с дополнительным источником в цепи эмиттера транзистора VT2.

Основным достоинством данного типа генератора является высокая нагрузочная способность. К недостаткам относится невозможность обеспечить небольшую длительность прямого хода (в практических схемах Т_Р ограничивается 5…10 мкс) и малую скважность импульсов (Т_О ограничивается (0,5 … 1) * Т_Р).

Расчет генераторов пилообразного напряжения с положительной обратной связью

Рассчитать генератор пилообразного напряжения со следующими параметрами: амплитуда выходного сигнала: U_m = 15 B, длительность прямого хода Т_Р = 100 мкс, длительность обратного хода Т_О = 100 мкс, коэффициент нелинейности ε = 3%, сопротивление нагрузки R_H = 1 кОм.

1. Определение напряжение питания Е_к. Для компенсации падения напряжения на p-n переходах диодов и транзисторов выберем следующее значение напряжения питания
   [math]E_{K} = (1,1 … 1,2) * U_{m} = (1,1 … 1,2) * 15 = 16,5 … 18 B[/math]
   Примем Ек = 18 В.
   Коэффициент использования напряжения ξ составит
   [math]\xi = \frac{U_{m}}{E_{K}} = \frac{15}{18} \approx 0,83[/math]
2. Выбор транзисторов осуществляется по величинам напряжений и токов. Выберем транзисторы типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 100, P_{K max} = 150 мВт. Диод выберем типа КД521. U_Д.ОБР = 30 В.
3. Рассчитаем сопротивление резистора R4.
   [math]R4 \ge \frac{E_{K}}{0,8 * I_{Cmax VT2}} = \frac{18}{0,8 * 0,1} = 225 Om[/math]

   Так как малое значение R4 уменьшает линейность импульса, а его увеличение увеличивает длительность обратного хода, то примем R4 = 1 кОм.

   При этом эквивалентное сопротивление нагрузки эмиттерного повторителя составит

   [math]R_{EKB} = \frac{R4 * R_{H}}{R4 + R_{H}} = 500 Om[/math]
4. Определим величину сопротивления R3
   [math]R3 \le \xi * h_{21e VT2} * R_{EKB} = R3 \le \xi * h_{21e VT2} * R_{EKB} = 0,83 * 100 * 500 = 41,5 kOm[/math]

   Примем R3 = 39 кОм.

5. Определим величины емкостей С2 и С3
   [math]C2 = \frac{T_{P} * (U_{m} + U_{BE VT2})}{R3 * (E_{K} — U_{VD1})} = \frac{0,0001 * (15 + 0,7)}{39000 * (18 — 0,7)} \approx 2,3 nF[/math]

   Примем С2 = 2,2 нФ

   [math]C3 \ge \frac{5 * C2}{\varepsilon} = \frac{5 * 2,2}{0,03} \approx 367 nF[/math]

   Примем С3 = 0,39 мкФ

6. Проверим, зарядится ли конденсатор С3 за время обратного хода пилообразного импульса
   [math]T_{O pac} = 3 * C3 * R4 = 3 * 0,00000039 * 1000 = 1,17 ms[/math]

   Так как расчётное время обратного хода больше заданного применим в качестве транзистора VT2 составной транзистор на двух транзисторах типа КТ315 и величина сопротивления R4 = 510 Ом, тогда

   R_EKB = 338 Ом, R3 = 200 кОм, С2 = 470 пФ, С3 = 68 нФ
7. Рассчитываем сопротивление резистора R2. Сопротивление резистора R2 должно быть минимально возможным, для того чтобы обеспечить быстрый разряд конденсатора С2.
   [math]R2 \ge \frac{E_{K} * h_{21e}}{0,8 * I_{Cmax}} = \frac{18 * 100}{0,8 * 0,1} = 22,5 kOm[/math]

   Примем R1 = 24 кОм

8. Рассчитаем входную цепь
   [math]R1 \le \frac{2 * R2}{E_{K}} = \frac{2 * 24}{18} = 2,7 kOm[/math]

   Примем R1 = 2,4 кОм

   [math]C1 \ge \frac{(20…100) * T_{P}}{R1} = 83…467 nF[/math]

   Примем С1 = 0,49 мкФ

Получившаяся схема генератора пилообразного напряжения будет иметь следующий вид

Схема генератора пилообразного напряжения