壓控三角波發生器

2021-11-03

壓控三角波發生器

鋸齒或指數斜坡弛豫振蕩器很常見，而且通常很容易構建。然而，有時需要更干凈的波形，偶對稱波形的發生器設計起來有點困難。

三角波發生器通常使用運算放大器積分器和比較器來實現；然而，需要付出一些努力來設計一個也提供電壓控制頻率的運算放大器三角波電路。

本設計理念展示了一種電壓控制的三角波發生器，它具有高質量的波形、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雜多少，并且使用單個電容器。使用具有共同公差且沒有刻意匹配的組件可以獲得良好的結果。

電路如圖1所示。Triangle Out 處可用信號的頻率是輸入電壓 V F的線性函數，詳情見下文。粗體R和C是主要的頻率確定組件。

圖 1壓控三角波發生器原理圖。

為了獲得寬范圍，需要一個高阻抗放大器，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 發射極偏置電阻意味著 Q 2基極的阻抗在1 兆歐范圍內。

上電時，Q 2基極電壓為零，Q 3基極電壓約為9 V。因此Q 3 導通，Q 1、Q 2、Q 4和Q 5截止。這會導致 Q 7開啟，從而激活電流源 Q 9，因此C上的電壓開始線性上升。

在達到閾值電壓 (6 V) 時，Q 2開始導通，因此 Q 1也開始導通，此處作為高增益級連接。Q 1反過來導致Q 4導通，進一步拉低閾值電壓。這種正反饋回路提高了開關速度。由于存在由 Q 5和 Q 7 /Q 9或 Q 6 /Q 8引起的延遲，C繼續充電，因此我們確信切換將完成。此時 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開啟，并以 Q 9 對其充電的相同速率從C汲取電流。當斜坡低于閾值電壓時，循環重復。

驅動C的電流源由給定電壓 V F（減去 V BE）及其互補電壓饋送，分別在 Q 12的發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通過引入相應的 V BE下降來平衡 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作為互補開關運行，由開關晶體管Q 5 控制，它們被驅動至飽和，這將從Q 10或Q 11的相應發射極吸收基極電流。然而，與通過R的電流相比，這些基極電流仍然很低，并且每一側也相同。因此三角波的對稱性得以保持。

由于輸出直接來自電容器C，因此它隨后應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，測量點如原理圖所示。

振蕩頻率可以通過計算來自電流源的C在高閾值和低閾值V TH和V TL之間的充電時間來確定；這個數字的兩倍給出了周期。如此導出的頻率F是V F的線性函數，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：

在測得的V F為 2.36V 時，F == 1066.67 Hz。這與示波器軌跡中顯示的 1004.96 Hz 的測量結果相當匹配。產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，控制相當敏感。在 2 kHz 頻率下，計算得出V F  == 2.64 V，在 4 kHz 下，V F  == 3.24 V。在這些頻率下測量V F分別產生 2.71 V 和 3.46 V，這與計算結果合理值，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稱性。

當Q 8的發射極上的電壓超過下限電壓V TL時，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來克服路徑中的三個基極-發射極壓降。

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。請注意，下降時間明顯小于上升時間。這是因為在向上擺動時運行的正反饋回路在向下擺動時無效，因此 Q 4和 Q 5 的關閉速度比它們打開的速度要慢。這僅最小程度地影響三角波，由于導通閾值用于Q- 7是相當低的，從而確保三角形斜率及時逆轉。

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，下降時間約為 88 ns，而上升時間（如圖 4 所示）為 760 ns。但請注意，這些跡線中的通道 3 和 4 顯示了電流源（Q 8和 Q 9）的發射極電阻器的上升和下降時間，并且它們保持在 75 ns 范圍內的低電平。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下降時間。

圖 4上升時間。

所有使用的電阻器都是 1% 的商品部件，可以輕松且廉價地獲得。晶體管也來自商業批次，尚未匹配或以其他方式選擇。

電路上有幾個基本的變化可能會很有趣。通過降低 Δ-閾值可以支持更寬的頻率范圍。當然可能需要更多的放大。還可以添加對占空比的控制。尋找優化功率、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——但不是反復無常：例如，我用完了 10kΩ 的電阻，所以我改用了 9.1kΩ。  

一個有趣的挑戰是設計一個更對稱的電路。例如，這可能會在跨越高閾值和低閾值時提供正反饋，解決上升/下降時間問題，并可能擴大頻率范圍。