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壓控三角波發(fā)生器
壓控三角波發(fā)生器
鋸齒或指數(shù)斜坡弛豫振蕩器很常見(jiàn)，而且通常很容易構(gòu)建。然而，有時(shí)需要更干凈的波形，偶對(duì)稱(chēng)波形的發(fā)生器設(shè)計(jì)起來(lái)有點(diǎn)困難。
三角波發(fā)生器通常使用運(yùn)算放大器積分器和比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)；然而，需要付出一些努力來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)也提供電壓控制頻率的運(yùn)算放大器三角波電路。
本設(shè)計(jì)理念展示了一種電壓控制的三角波發(fā)生器，它具有高質(zhì)量的波形、合理的寬頻率范圍和少量的組件。它并不比鋸齒張弛振蕩器復(fù)雜多少，并且使用單個(gè)電容器。使用具有共同公差且沒(méi)有刻意匹配的組件可以獲得良好的結(jié)果。
電路如圖1所示。Triangle Out 處可用信號(hào)的頻率是輸入電壓 V F的線性函數(shù)，詳情見(jiàn)下文。粗體R和C是主要的頻率確定組件。
圖 1壓控三角波發(fā)生器原理圖。
為了獲得寬范圍，需要一個(gè)高阻抗放大器，以允許小電流將電容器充電到所需的閾值電平。該放大器是由 Q 2和 Q 3形成的差分放大器。12kΩ 發(fā)射極偏置電阻意味著 Q 2基極的阻抗在1 兆歐范圍內(nèi)。
上電時(shí)，Q 2基極電壓為零，Q 3基極電壓約為9 V。因此Q 3 導(dǎo)通，Q 1、Q 2、Q 4和Q 5截止。這會(huì)導(dǎo)致 Q 7開(kāi)啟，從而激活電流源 Q 9，因此C上的電壓開(kāi)始線性上升。
在達(dá)到閾值電壓 (6 V) 時(shí)，Q 2開(kāi)始導(dǎo)通，因此 Q 1也開(kāi)始導(dǎo)通，此處作為高增益級(jí)連接。Q 1反過(guò)來(lái)導(dǎo)致Q 4導(dǎo)通，進(jìn)一步拉低閾值電壓。這種正反饋回路提高了開(kāi)關(guān)速度。由于存在由 Q 5和 Q 7 /Q 9或 Q 6 /Q 8引起的延遲，C繼續(xù)充電，因此我們確信切換將完成。此時(shí) Q 2基極的電壓略高于 6 V，Q 3基極的閾值電壓，大約為 3V。電流源 Q 8開(kāi)啟，并以 Q 9 對(duì)其充電的相同速率從C汲取電流。當(dāng)斜坡低于閾值電壓時(shí)，循環(huán)重復(fù)。
驅(qū)動(dòng)C的電流源由給定電壓 V F（減去 V BE）及其互補(bǔ)電壓饋送，分別在 Q 12的發(fā)射極和集電極上形成。Q 11降低了Q 12的集電極輸出的輸出阻抗。Q 10通過(guò)引入相應(yīng)的 V BE下降來(lái)平衡 Q 11。R 17兩端的電壓因此等于R 16兩端的電壓。
由于Q 6和Q 7作為互補(bǔ)開(kāi)關(guān)運(yùn)行，由開(kāi)關(guān)晶體管Q 5 控制，它們被驅(qū)動(dòng)至飽和，這將從Q 10或Q 11的相應(yīng)發(fā)射極吸收基極電流。然而，與通過(guò)R的電流相比，這些基極電流仍然很低，并且每一側(cè)也相同。因此三角波的對(duì)稱(chēng)性得以保持。
由于輸出直接來(lái)自電容器C，因此它隨后應(yīng)由高阻抗放大器緩沖。圖 2中的示波器軌跡顯示了原理圖中通道指示器 CHn 所指示的波形。請(qǐng)注意，除通道 1 外的所有通道都是交流耦合的。
圖 2 Scope 跡線，測(cè)量點(diǎn)如原理圖所示。
振蕩頻率可以通過(guò)計(jì)算來(lái)自電流源的C在高閾值和低閾值V TH和V TL之間的充電時(shí)間來(lái)確定；這個(gè)數(shù)字的兩倍給出了周期。如此導(dǎo)出的頻率F是V F的線性函數(shù)，并給出如下：
元件值如原理圖所示，V TH = 9 V，V TL = 3 V，V BE = 0.68 V：
在測(cè)得的V F為 2.36V 時(shí)，F == 1066.67 Hz。這與示波器軌跡中顯示的 1004.96 Hz 的測(cè)量結(jié)果相當(dāng)匹配。產(chǎn)生給定頻率所需的輸入電壓由下式給出：
在特定情況下：
頻率變化率約為 3 kHz/V，或 3 Hz/mV；因此，控制相當(dāng)敏感。在 2 kHz 頻率下，計(jì)算得出V F == 2.64 V，在 4 kHz 下，V F == 3.24 V。在這些頻率下測(cè)量V F分別產(chǎn)生 2.71 V 和 3.46 V，這與計(jì)算結(jié)果合理值，特別是考慮到靈敏度。在 6 kHz 以上和 600 Hz 左右保持良好的三角對(duì)稱(chēng)性。
當(dāng)Q 8的發(fā)射極上的電壓超過(guò)下限電壓V TL時(shí)，振蕩將停止。在這種情況下，該電壓約為 3 V，或者輸入電壓 V F約為 5 V。在低端，需要略高于 2 V的 V F來(lái)克服路徑中的三個(gè)基極-發(fā)射極壓降。
圖 2 示波器軌跡的通道 2 中所示的方波是從 Q 3的基極獲得的，即差分放大器的閾值輸入。請(qǐng)注意，下降時(shí)間明顯小于上升時(shí)間。這是因?yàn)樵谙蛏蠑[動(dòng)時(shí)運(yùn)行的正反饋回路在向下擺動(dòng)時(shí)無(wú)效，因此 Q 4和 Q 5 的關(guān)閉速度比它們打開(kāi)的速度要慢。這僅最小程度地影響三角波，由于導(dǎo)通閾值用于Q- 7是相當(dāng)?shù)偷模瑥亩_保三角形斜率及時(shí)逆轉(zhuǎn)。
圖 3和圖 4 中顯示的示波器軌跡顯示了這種差異。在圖 3 中，下降時(shí)間約為 88 ns，而上升時(shí)間（如圖 4 所示）為 760 ns。但請(qǐng)注意，這些跡線中的通道 3 和 4 顯示了電流源（Q 8和 Q 9）的發(fā)射極電阻器的上升和下降時(shí)間，并且它們保持在 75 ns 范圍內(nèi)的低電平。但是，存在切換延遲，一種情況下約為 600 ns，另一種情況下約為 1.6 μs。
圖 3下降時(shí)間。
圖 4上升時(shí)間。
所有使用的電阻器都是 1% 的商品部件，可以輕松且廉價(jià)地獲得。晶體管也來(lái)自商業(yè)批次，尚未匹配或以其他方式選擇。
電路上有幾個(gè)基本的變化可能會(huì)很有趣。通過(guò)降低 Δ-閾值可以支持更寬的頻率范圍。當(dāng)然可能需要更多的放大。還可以添加對(duì)占空比的控制。尋找優(yōu)化功率、范圍或分辨率的R和C值也可能值得追求。這里選擇的值有些隨意——但不是反復(fù)無(wú)常：例如，我用完了 10kΩ 的電阻，所以我改用了 9.1kΩ。
一個(gè)有趣的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一個(gè)更對(duì)稱(chēng)的電路。例如，這可能會(huì)在跨越高閾值和低閾值時(shí)提供正反饋，解決上升/下降時(shí)間問(wèn)題，并可能擴(kuò)大頻率范圍。