Всем доброго времени суток. В прошлый раз я рассказывал, как улучшить генератор пилообразного напряжения с помощью ПОС (положительной обратной связи). Улучшить параметры генератора пилообразного импульса, возможно также применяя ООС (отрицательную обратную связь). Структурная схема такого генератора представлена ниже

Структурная схема генератора пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью.

Данный тип генератора имеет в своём составе ключевой прибор (КП), интегрирующую RC – цепь и усилитель (УС). Для функционирования данного генератора необходимо выполнение ряда условий:

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

1. Усилитель должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.
2. Усилитель должен инвертировать входной сигнал, то есть увеличение входного напряжения должно вызывать уменьшение выходного, и наоборот.

В исходном состоянии ключевой прибор замкнут, а конденсатор разряжен. При размыкании ключевого прибора начинается заряд конденсатора, то есть напряжение на конденсаторе начинает расти, а на резисторе соответственно уменьшаться. Так как U_R + U_BX = E_K, то при уменьшении напряжение на резисторе начинается рост напряжение на входе усилителя, в итоге на выходе усилителя появится напряжение U_BbIX, которое находится в противофазе по отношению к напряжению на конденсаторе. То есть ток зарядки конденсатора определится из следующего выражения

[math]I_{R} = \frac{E_{K}-U_{C}-U_{BbIX}}{R}[/math]

так как U_C = – U_BbIX, то выражение приобретает вид

[math]I_{R} = \frac{E_{K}}{R} = const[/math]

Достоинством схемы генератора данного типа является возможность получения пилообразного напряжения длительностью от нескольких микросекунд до десятков миллисекунд, а коэффициент нелинейности может достигать порядка нескольких долей процента. Основным недостатком является большое время обратного хода, а также низкая температурная стабильность генераторов.

Транзисторная схема генератора пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью

Существует несколько разновидностей транзисторных генераторов пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью, которые различаются типом ключевого элемента (транзисторный или диодный), а также тем, откуда снимают выходное напряжение, но наибольшее распространение получила схема изображённая ниже

 

Схема генератора пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью и диаграммы входных и выходных напряжений.

Работает схема следующим образом. В исходном состоянии транзистор VT1 открыт и насыщен, напряжение смещения в цепи эмиттера VT1 (Е_СМ ≈ -0,1E_K) поступает на базу транзистора VT2 и поддерживает его в закрытом состоянии. Конденсатор С1 при этом заряжен до напряжения

[math]U_{C1} = E_{K}+E_{CM}-U_{nacVT1} \approx \/E_{K}+E_{CM}[/math]

а выходное напряжение при этом составляет

[math]U_{BbIX} \approx \/E_{K}[/math]

При поступлении на ключевой элемент (база транзистора VT1) импульса отрицательной полярности (U_BX > Е_СМ) транзистор VT1 закрывается, отключая тем самым базу транзистора VT2 от источника смещения и на базе VT2 (а также на выходе схемы) возникает положительный скачёк напряжения. Далее начинается разряд конденсатора С1 по цепи R2C1 и коллектор — эмиттер VT2 по экспоненциальному закону. Однако по мере уменьшения напряжения на С1 уменьшается его ток разряда, а напряжение база – эмиттер VT2 уменьшается, вследствие чего увеличивается коллекторный ток транзистора VT2 (а также ток разряда конденсатора С1). В результате этого напряжение на конденсаторе, а как следствие и выходное напряжение схемы уменьшается по линейному закону. Коэффициент нелинейности вычисляется из следующего выражения

[math]\varepsilon = \frac {\xi * R2}{h_{21e VT2} * R_{K}}[/math]

тогда как коэффициент использования напряжения составляет

[math]\xi = \frac{U_{BbIX}}{E_{K}} = 0,8…0,9[/math]

После окончание действия входного импульса транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается и конденсатор С1 заряжается, то есть происходит восстановление исходного состояния схемы.

Как видно из временных диаграмм напряжений на выходе данного типа генератора получается линейно-падающее напряжение, для изменения полярности выходных импульсов необходимо использовать транзисторы с другим типом проводимости.

В данном типе генераторов при переключении транзистора VT1 из насыщения в режим отсечки возникают скачки напряжения, обусловленные источником смещения Есм, что в некоторых случаях нежелательно. Для устранения данных скачков напряжения последовательно с конденсатором С1 включают резистор сопротивление, которого составляет 10…15 % от величины сопротивления R2.

Расчёт схемы транзисторного генератора пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью

Необходимо рассчитать генератор пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью со следующими параметрами: амплитуда выходного сигнала: U_m = 10 B, длительность прямого хода Т_Р = 100 мкс, длительность обратного хода Т_О = 100 мкс, коэффициент нелинейности ε = 2%.

1. Определим напряжение источника питания
   E_{K} = (1,1…1,2)*U_{m} = (1,1…1,2)*10 = 11…12 B

   Примем Ек = 12 В
   Коэффициент использования напряжения ξ составит

   [math]\xi = \frac{U_{BbIX}}{E_{K}} = \frac{10}{12} \approx 0,83[/math]
2. Выберем транзисторы VT1 и VT2 типа КТ315Г со следующими параметрами: U_CEmax = 25 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h21e = 250 МГц, h_21e = 50…350 (примем h_21e = 150), P_{K max} = 150 мВт.
3. Вычислим сопротивление резистора R3
   [math]\frac{E_{K}}{I_{Cmax}} \le \/R3 \le \frac{E_{K}}{I_{CBO}}[/math]
   [math]\frac{12}{0,1} \le \/R3 \le \frac{12}{10^{-6}}[/math]

   Примем R3 = 3,3 кОм

4. Определим величину сопротивления R2
   [math]R2 \le \frac{\varepsilon * h_{21e VT2} * R3}{\xi}=\frac{0,02 * 150 * 3,3}{0,83} \approx 11,93 kOm[/math]

   Примем R2 = 11 кОм

5. Определим величину сопротивления C1
   [math]C1 = \frac{T_{P}}{R2} = \frac{0,0001}{11000} \approx 9,1 nF[/math]

   Примем = 9,1 нФ

6. Проверяем время обратного хода
   [math]T_{Opac} = 3*R3*C1 = 3 * 3300 * 9,1 * 10^{-6} \approx 90 mks \ge T_{Opac}[/math]

   Величины элементов соответствуют заданным параметрам схемы. В случае если расчётная величина обратного хода Т_Орас превышает заданную величину обратного хода то необходимо применить транзистор с большим значением h_21e либо использовать составной транзистор в качестве VT2 (одноко, в этом случае несколько снизится величина U_m, примерно на 0,7 В).

7. Рассчитаем значение сопротивления R1, которое должно обеспечить насышенное состояние VT1, для чего задаемся Есм = 0,1*Ек= 0,1 * 12 = 1,2 В
   [math]R1 \le \frac{E_{CM} * h_{21eVT1} * R2}{E_{K} + E_{CM}} = \frac{1,2 * 150 * 11}{12 + 1,2} \approx 150 kOm[/math]

   Так как Есм имеет небольшое внутреннее сопротивление, то значение R1 выбираем значительно меньше и тогда примем R1 = 51 кОм.

   Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ