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 t_пх), а затем его быстрый разряд (осуществляется «обратный ход» длительностью t_ох). 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 U_С(t)= ∫I_С(t)dt и при I_С(t) = I₀ = const U_С(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 СR_К. Во время обратного хода транзистор под воздействием положительного входного импульса открывается и играет роль разрядного элемента конденсатора С.

Сопротивление R_Б 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 U_{вых m} пилообразных импульсов, вырабатываемых схемой рис. 10.20 оказывается существенно меньшей, чем напряжение источника питания Е_К, а коэффициент использования питания (КИП) К_ип = U_{вых m}/Е_К << 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 U_лин(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 t_пх быстро заряжается до напряжения ≈Е_К, таккак во время обратного хода диод VD открывается и образуется цепь заряда Е_К–VD–С₀ –R_Э с малой постоянной времени (R_Э 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 U_лин(t) + Е_К.

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