Высокочастотный преобразователь напряжение – частота

Схема генератора, управляемого напряжением, с частотой выходного импульсного сигнала 0...20 МГц

На данной странице познакомимся ещё с одной публикацией специалиста в области аналоговых технологий – американского разработчика Стивена Вудварда.
На этот раз статья, обнародованная под названием «20MHz VFC with take-back-half charge pump» в журнале EDN 9 сентября 2024г, содержит подробное описание линейного преобразователя напряжение – частота (ПНЧ), достигающего предела 20 МГц. Процитируем и мы её основные положения:

20-мегагерцовый ПНЧ с повышающим диодным преобразователем

Схема ПНЧ, приведённая на Рис.1, хотя и остаётся в тени высокоскоростных рекордсменов, работающих на частотах до 100 МГц, тем не менее, в несколько раз быстрее, чем коммерчески доступные ПНЧ (например, 4-мегагерцовый VFC110), и при этом очень проста в реализации, потребляя менее 10 мА от одного источника напряжением +5 В.



Рис.1 Повышающий диодный преобразователь с «возвратом половины» обеспечивает простому ПНЧ приемлемые характеристики до 20 МГц

То, что позволяет ПНЧ работать на такой высокой выходной частоте – это, главным образом, самокомпенсирующийся диодный преобразователь (зарядовый насос), в котором реализован метод TBH (take-back-half, забрать половину), описанный в предыдущей статье «Прецизионный диодный зарядовый насос». Приведём краткое описание работы схемы.

Входной сигнал диапазона 0...1 мА, измеряемый резистором R1, интегрируется конденсатором C1, в результате чего происходит нарастание выходного напряжения усилителя А1 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 нижний порог срабатывания (примерно 1.5 В). Это приводит к срабатыванию 3-х каскадов, образованных цепочкой из 3-х инверторов. Распространение сигнала по цепочке занимает около 20 нс.
Импульс, появившийся на выводе 6 U1, через диод D5 проходит обратно на вывод 1, останавливая нарастание напряжения и пересекая верхний уровень срабатывания триггера. Это инициирует дополнительный импульс через цепочку, завершая и задерживая, в конечном итоге, цикл примерно за 40 нс.

Таким образом, частота генератора (приблизительно) пропорциональна входному току через резистор R1. Задача диодного преобразователя (насоса) и операционного усилителя сделать это точно. Для этого используется "насос" TBH (take-back-half, забрать половину) с двумя забавно выглядящими встречно-параллельными парами диодов D1/D2 и D3/D4.

Через ОС, образованную диодами D3 и D4, на вход (верхний вывод конденсатора C1) подается балансирующий входной ток отрицательной обратной связи, который теоретически равен -100 мкА/МГц, но на практике уменьшается из-за разброса характеристик диодов. К ним относятся: прямое падение напряжения, время обратного восстановления, паразитные и шунтирующие ёмкости и т. д.

Между тем, через диоды D1 и D2, включённые обратной полярностью, 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 списка неидеальностей, перечисленных для D3 и D4.

Следовательно, когда два противоположных тока ОС суммируются, значения ошибок взаимно уничтожаются, оставляя в остатке точный ток отрицательной обратной связи: (50 – ошибка) – (100 – ошибка) = – 50 мкА/МГц, что, в свою очередь, даёт: F_out = 20МГц⋅1000⋅V_in/R1.

Вот несколько замечаний к конструкции:

Сопротивление резистора R2 было выбрано в соответствии с техническим описанием 2N3904 (исходя из диапазона значений бета). Оно должно быть достаточно низким, чтобы обеспечить адекватный ток коллектора для полных 20 МГц, но при этом и 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.
Не соблюдение последнего условия потенциально может привести к "защелкиванию" преобразователя.

Резистор R4 не позволяет суммарному току утечек элементов U1, D5 и Q1 смещать ноль генерируемых колебаний, даже если операционный усилитель А1 выключил транзистор Q1.

Если вы не сможете найти применение оставшимся неиспользуемым элементам ИМС U1, обязательно заземлите их плавающие входы или привяжите их к +5 В.


ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Журнал EDN, Stephen Woodward - 20MHz VFC with take-back-half charge pump
2. Журнал «РадиоЛоцман», «20-мегагерцовый ПНЧ с зарядовым насосом»