Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Наряду с генерированием прямоугольных видеоимпульсов и радиоимпульсов с прямоугольной огибающей важной задачей электроники является создание пилообразных (линейно изменяющихся) напряжений, применяемых, в частности, в системах развертки изображений в осциллографах, телевизорах, мониторах компьютеров. Для формирования пилообразных импульсов используются генераторы линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН). В схемах этого типа обеспечивается поочередно медленный заряд конденсатора (при этом формируется «прямой ход» пилообразного напряжения длительностью tпх), а затем его быстрый разряд (осуществляется «обратный ход» длительностью tох). В некоторых ГЛИН, напротив, происходит быстрый заряд конденсатора и его медленный разряд. Главным требованием к ГЛИН является обеспечение линейности нарастания (или убывания) сигнала во время прямого хода. На втором месте – требование к минимизации времени обратного хода. Последнюю позицию занимает требование максимальной амплитуды импульсов.

Для переключения заряда-разряда используется электронный ключ (например, на транзисторе). Управляющим сигналом, меняющим состояние, ключа, является прямоугольный импульс. Таким образом, ГЛИН не является автогенератором.

Поскольку заряд и разряд конденсатора осуществляются по экспоненте, то линейность пилообразного напряжения на выходе ГЛИН обеспечивается при использовании лишь начального участка экспоненты, хотя в этом случае амплитуда импульсов невелика. Наилучшую линейность можно обеспечить, если заряжать конденсатор постоянным током, так как UС(t)= ∫IС(t)dt и при IС(t) = I0 = const UС(t) = I0 t.

Простейшая схема ГЛИН, действующая по принципу использования начального участка экспоненты, приведена на рис. 10.20, графики, поясняющие ее работу – на рис. 10.21. Схема формирует линейно нарастающее пилообразное напряжение при закрытом транзисторе VT (в это время на базу транзистора подают отрицательный прямоугольный импульс). Постоянная времени цепи заряда равна СRК. Во время обратного хода транзистор под воздействием положительного входного импульса открывается и играет роль разрядного элемента конденсатора С.

Сопротивление RБ задает начальное смещение на базе транзистора, на которое накладывается входная импульсная последовательность; через это сопротивление течет небольшой базовый ток.

Для того чтобы генерируемый сигнал имел небольшие отклонения от линейно нарастающего, приходится ограничиваться начальным участком зарядной экспоненты. В результате амплитуда Uвых m пилообразных импульсов, вырабатываемых схемой рис. 10.20 оказывается существенно меньшей, чем напряжение источника питания ЕК, а коэффициент использования питания (КИП) Кип = Uвых m/ЕК << 1, что является существенным недостатком.

Рис. 10.20 Рис. 10.21

Более эффективно работает схема ГЛИН с эмиттерным повторителем рис. 10.22. На транзисторе VT1 собран собственно генератор линейно изменяющегося напряжения, по своему принципу действия идентичный схеме рис. 10.20. Эмиттерный повторитель собран на транзисторе VT2. Пилообразное напряжение Uлин(t) на конденсаторе С воспроизводится эмиттерным повторителем, собранным на транзисторе VT2 и поступает как на выход схемы, так и на правую обкладку большого конденсатора С0 ≈10С.

Рис. 10.22

Конденсатор С0 к началу tпх быстро заряжается до напряжения ≈ЕК, таккак во время обратного хода диод VD открывается и образуется цепь заряда ЕК–VD–С0 –RЭ с малой постоянной времени (RЭ обычно составляет десятки ом, см. 5.2). Во время прямого хода напряжение на С0 изменяется медленно, так как диод закрывается, поэтому на левой обкладке С0 напряжение повторяет напряжение на правой обкладке (т. е. пилообразное), но оно больше или равно Uлин(t) + ЕК.

Левая обкладка С0 соединена с верхней точкой резистора RК, через который заряжается конденсатор С,а нижняя точка RК – с самим С. Поэтому к резистору в течение всего прямого хода пилообразного напряжения приложена разность потенциалов (Uлин(t) + ЕК) – Uлин(t) = ЕК = const. Соответственно, и ток через резистор постоянен – ведь именно током через RК заряжается С.

Любопытной особенностью схемы является то, что во время прямого хода пилообразного напряжения основная ее часть оказывается отрезанной от источника питания. Тем не менее конденсатор С заряжается – с ним делится зарядом большая емкость С0.

Достоинством ГЛИН с эмиттерным повторителем является высокое качество формы сигнала и КИП, достигающий уровня 0,9…0,95.

Большую амплитуду линейно изменяющегося напряжения при относительно хорошем качестве «пилы» обеспечивает также схема ГЛИН, изображенная на рис. 10.23.

В этой схеме применена стабилизация тока заряда конденсатора С3 (или С3+С4). Напряжение на конденсаторе пропорционально интегралу от тока, подтекающего к его обкладкам и, если ток постоянен, то напряжение меняется по линейному закону.

Рис. 10.23

Функцию стабилизатора тока выполняет транзистор VТ2, включенный последовательно с С3. Транзистор VТ1 работает в ключевом режиме. Напряжение на выходе ГЛИН примерно равно напряжению на емкости С3 (или С3+С4). Благодаря стабилизации тока заряда оно меняется практически линейно и Umax достигает значений, близких к напряжению источника питания Е. Сопротивление R3 (или R4) вместе с С3 и С4 определяет длительность прямого хода «пилы», С1 и С2 выполняют функцию разделительных конденсаторов.