Формирователь импульсов линейно изменяющегося напряжения

 

Изобретение относится к импульсной технике для блоков развертки, аналого-цифровых преобразователей, широтно-импульсных модуляторов, устройств управляемой задержки. Технический результат заключается в получении выходного линейно изменяющегося напряжения, превышающего напряжение питания. Формирователь (Ф) импульсов содержит инвертирующий усилитель (У) 1, первый конденсатор (К) 2, включенный между входом У 1 и выходным выводом 3 Ф, узел формирования тока заряда и разряда (УФ) 5 первого К 2, введены второй К 7, включенный между выходом У 1 и выходным выводом 3 Ф, а также элемент сопротивления (ЭС) 6, включенный между выходным выводом 3 Ф и источником питания, транзистор 8, эмиттер которого подключен к выходу У 1, коллектор – к выходному выводу 3 Ф, а база – к дополнительному источнику напряжения (ИН). Ф также снабжен узлом фиксации нулевого уровня, который выполнен в виде соединенных встречно последовательно двух диодов, общая точка которых через резистор соединена с ИН смещения. ЭС 6 может быть выполнен в виде стабилизатора тока. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в приборостроении и автоматике для формирования напряжения пилообразной формы блоков развертки, аналого-цифровых преобразователей, широтно-импульсных модуляторов, устройств управляемой задержки и т.п.

Известен формирователь импульсов линейно изменяющегося напряжения (см., например, кн. Бондарь В.А. Генераторы линейно изменяющегося напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. рис. 2-10), содержащий формирователь тока, конденсатор и ключ. Выходное напряжение формирователя формируется путем заряда конденсатора током, создаваемым формирователем тока. Недостатками этой схемы является малое значение коэффициента использования напряжения питания, ограниченное падением напряжения на формирователе тока и составляющее 0,5-0,8, а также малая нагрузочная способность.

Известен формирователь импульсов линейно изменяющегося напряжения (см., например, кн. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные устройства: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп., М.: Советское радио, 1980, стр. 250-254, рис. 9-16), содержащий усилитель, последовательную RC-цепь, средняя точка которой подключена к входу усилителя, и дополнительный конденсатор, включенный между выходом усилителя и резистором RС-цепи. Благодаря применению усилителя формирователь имеет высокую нагрузочную способность. Недостатком такой схемы является также малое значение коэффициента использования напряжения питания, определяемое характеристиками выходного каскада усилителя и не превышающее 0,8-0,9.

Наиболее близким к заявленному является формирователь импульсов линейно изменяющегося напряжения (см., например, кн. Бондарь В.А. Генераторы линейно изменяющегося напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 48-49, рис. 2-21, 2-22), содержащий инвертирующий усилитель, конденсатор, включенный между входом инвертирующего усилителя и выходным выводом формирователя, а также узел формирования тока заряда и разряда конденсатора. Узел формирования тока заряда и разряда конденсатора может содержать резистор, включенный между входом инвертирующего усилителя и источником входного сигнала в виде постоянного напряжения, и ключ, соединенный параллельно с конденсатором и управляемый сигналом прямоугольной формы. При использовании источника входного сигнала прямоугольной формы ключ может отсутствовать. Упомянутый ключ может быть включен также между входом инвертирующего усилителя и дополнительным источником постоянного напряжения полярностью, противоположной полярности источника входного сигнала (см., например, кн. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные устройства: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп., М.: Советское радио, 1980, стр. 256-258, рис. 9-18, 9-19). Однако коэффициент использования напряжения питания, определяемый характеристиками выходного каскада усилителя, также не может быть получен больше единицы.

Задачей изобретения является увеличение коэффициента использования напряжения питания.

Решение задачи достигается тем, что в формирователе импульсов линейно изменяющегося напряжения, содержащем инвертирующий усилитель, первый конденсатор, включенный между входом инвертирующего усилителя и выходным выводом формирователя, узел формирования тока заряда и разряда первого конденсатора, введены второй конденсатор, включенный между выходом усилителя и выходным выводом формирователя, элемент сопротивления, включенный между выходным выводом формирователя и источником питания, а также транзистор, эмиттер которого подключен к выходу усилителя, коллектор - к выходному выводу формирователя, а база - к дополнительному источнику напряжения. Элемент сопротивления может быть выполнен в виде стабилизатора тока, последовательно соединенного с диодом. Формирователь может быть снабжен узлом фиксации нулевого уровня выходного напряжения. Упомянутый узел фиксации нулевого уровня выходного напряжения может быть выполнен в виде двух соединенных встречно последовательно и включенных между входом усилителя и выходным выводом формирователя диодов, общая точка которых через резистор соединена с источником напряжения смещения.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно снабжено вторым конденсатором, включенным между выходом усилителя и выходным выводом формирователя, элементом сопротивления, включенным между выходным выводом формирователя и источником питания, а также транзистором, эмиттер которого подключен к выходу усилителя, коллектор - к выходному выводу формирователя, а база - к дополнительному источнику напряжения. Элемент сопротивления может быть выполнен в виде стабилизатора тока, последовательно соединенного с диодом. Формирователь может быть снабжен узлом фиксации нулевого уровня выходного напряжения. Упомянутый узел фиксации нулевого уровня выходного напряжения может быть выполнен в виде двух соединенных встречно последовательно и включенных между входом усилителя и выходным выводом формирователя диодов, общая точка которых через резистор соединена с источником напряжения смещения.

На фиг.1 приведен первый пример схемы предложенного формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения. Схема содержит инвертирующий усилитель 1 (А1), первый конденсатор 2 (С1), включенный между входом усилителя 1 и выходным выводом 3 формирователя, узел формирования тока заряда и разряда первого конденсатора 2, выполненный в виде резистора 4 (R1) и ключа 5 (S1), элемент сопротивления 6, включенный между выходным выводом 3 и источником питания U_пит, дополнительный конденсатор 7 (С2), включенный между выходом усилителя 1 и выходным выводом 3, а также транзистор 8 (VT1), включенный параллельно конденсатору 7. Управление ключом 5 осуществляется сигналом, подаваемым на управляющий вход 9. На вход 10 может подаваться как постоянное напряжение U_ВХ, так и импульсное с постоянным значением в течение прямого хода линейно изменяющегося напряжения. Элемент сопротивления 6 в данном примере выполнен в виде резистора 11 (R2) и последовательно включенного с ним диода 12. База транзистора 8 подключена к источнику дополнительного напряжения U_ДОП.

На фиг.2 приведен второй пример схемы формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения. Эта схема содержит инвертирующий усилитель 1 (А1), первый конденсатор 2 (С1), включенный между входом усилителя 1 и выходным выводом 3, узел формирования тока заряда и разряда первого конденсатора, выполненный в виде резистора 4 (R1), элемент сопротивления 6, включенный между выходным выводом 3 и источником питания U_пит, дополнительный конденсатор 7 (С2), включенный между выходом усилителя 1 и выходным выводом 3, а также транзистор 8 (VT1), включенный параллельно конденсатору 7. База транзистора 8 подключена к источнику дополнительного напряжения U_ДОП. На вход 10 подается импульсное напряжение U_ВХ прямоугольной формы. Элемент сопротивления 6 в данном примере выполнен в виде последовательно соединенных диода 12 и стабилизатора тока на транзисторах 13 (VT2) и 14 (VT3). Значение стабилизируемого тока задается резистором 15 (R3). Узел фиксации нулевого уровня выходного напряжения выполнен в виде диодов 16 (VD2) и 17 (VD3), общая точка которых через резистор 18 (R4) подключена к источнику напряжения смещения U_СМ.

На фиг.3 приведена временная диаграмма работы формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения, выполненного по схеме первого примера. Здесь 19 - напряжение на выходе усилителя 1, 20 - выходное линейно изменяющееся напряжение на выводе 3 предложенного формирователя.

На фиг.4 приведена временная диаграмма работы формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения, выполненного по схеме второго примера. Обозначения те же.

Формирователь импульсов линейно изменяющегося напряжения работает следующим образом. При полярности диода 12, показанной на приведенной схеме, на вход 10 подается напряжение U_ВХ отрицательной полярности, а напряжение питания U_ПИТ - положительной. Управляющий сигнал U_УПР прямоугольной формы периодически синхронно изменяет состояние ключа 5. В течение времени обратного хода линейно изменяющегося напряжения ключ 5 замкнут, конденсатор 2 разряжен, и выходное напряжение 18 практически равно нулю. Часть тока элемента сопротивления 6 через ключ 5 на входе усилителя 1 создает положительный потенциал, в результате чего на выходе усилителя 1 формируется отрицательное напряжение, открывающее транзистор 8. Транзистор 8 пропускает через себя оставшуюся часть тока элемента сопротивления 6. Конденсатор 7 заряжается до напряжения, практически равного U_ДОП.

В момент времени t₀ начала прямого хода линейно изменяющегося напряжения ключ 5 размыкается и конденсаторы 2 и 7 начинают заряжаться током через элемент сопротивления 6, в данном случае резистор 11 и открытый диод 12. Благодаря усилительным свойствам усилителя 1 и отрицательной обратной связи через конденсатор 2 на выходе 3 формируется линейно нарастающее напряжение 20 U_ВЫХ. На интервале (t₀-t₁) времени ток элемента сопротивления 6 превышает значение, необходимое для нагрузки, подключенной к выводу 3, а также для заряда конденсаторов 2 и 7. "Излишек" тока течет через транзистор 8, который поддерживается в открытом состоянии низким потенциалом напряжения 19 на выходе усилителя 1. Конденсатор 7, заряжаясь, накапливает энергию.

В момент времени t₁ ток элемента сопротивления 6 уменьшается настолько, что для поддержания тока нагрузки усилитель начинает увеличивать напряжение 19. Поэтому ток заряда конденсатора 7 уменьшается, а затем и меняет свое направление, создавая дополнительный ток в нагрузке. Энергия, запасенная конденсатором 7 в течение интервала обратного хода, обеспечивает увеличение напряжения 20 на выходе 3 даже после того, как в момент времени t₂ напряжение 18 становится выше напряжения U_пит и диод 12 закрывается.

По окончании прямого хода в момент времени t₃ ключ 5 открывается и разряжает конденсатор 2. Положительное напряжение, поступающее на вход усилителя 1, устанавливает на его выходе напряжение 19 отрицательной полярности, которое открывает транзистор 8. Схема переходит в исходное состояние и описанный процесс повторяется.

Формирователь импульсов линейно изменяющегося напряжения, выполненный по второму примеру схемы, работает следующим образом. В исходном состоянии (в течение времени обратного хода) под действием положительного напряжения U_ВХ на выходе усилителя 1 устанавливается отрицательное напряжение 19, которое открывает транзистор 8. Напряжение U_СМ отрицательной полярности через резистор 18 открывает диоды 16 и 17. Ток через диод 16 благодаря отрицательной обратной связи устанавливается равным току резистора 4, а сумма токов через диод 17 и транзистор 8 составляют ток элемента сопротивлений 6. Так как падения напряжений на диодах 16 и 17 в этом случае практически равны, то и выходное напряжение 20 с достаточно высокой точностью можно считать равным нулю.

В момент времени t₅ начала прямого хода напряжение U_ВХ становится отрицательным, что приводит к увеличению напряжения 20. В результате этого ток резистора 18 полностью течет через диод 17, а диод 16 закрывается. В дальнейшем процесс формирования прямого хода линейно изменяющегося напряжения протекает аналогично описанному в первом примере схемы формирователя. Отличие заключается только в том, что, благодаря малой зависимости стабилизированного тока элемента сопротивления 6 от выходного напряжения 20, момент времени t₁ совпадает с моментом времени t₂ (момент времени t₆ на фиг.4). Это уменьшает разряд конденсатора 7, что обеспечивает еще большую амплитуду выходного напряжения 20, т.е. увеличивает коэффициент использования напряжения питания.

Напряжение 20 в течение времени обратного хода формируется под действием положительной полуволны напряжения U_ВХ. При его прямоугольной форме напряжение 20 на интервале t₇-t₉ имеет линейную зависимость от времени. На интервале времени t₇-t₈ (пока U_ВЫХ>U_ПИТ) диод 12 закрыт и ток нагрузки создается усилителем 1 через конденсатор 7, который при этом продолжает разряжаться. В момент времени t₈ диод 12 открывается и конденсатор 7 начинает заряжаться. Напряжение 19 в результате этого понижается с большей скоростью. В момент времени t₉ напряжение 19 становится ниже напряжения U_ДОП и транзистор 8 открывается. После достижения напряжением 20 нулевого значения открывается диод 16 и на выходе 3 формирователя фиксируется нулевой потенциал.

Наиболее эффективно применение в предложенном устройстве операционных усилителей, но поставленная задача - увеличение коэффициента использования напряжения питания - решается и при использовании усилителей (на одном - трех транзисторах) со сравнительно небольшим коэффициентом усиления. От коэффициента усиления усилителя 1 зависит только нелинейность выходного напряжения 20.

Решение поставленной задачи - увеличение коэффициента использования напряжения питания - достигается благодаря включению в состав формирователя линейно изменяющегося напряжения конденсатора 7 с параллельным подключением транзистора 8, база которого подключена к источнику напряжения U_ДОП и элемента сопротивления 6. Выполнение элемента сопротивления 6, узла формирования тока заряда и разряда первого конденсатора 2, а также наличие узла фиксации нулевого уровня выходного напряжения представляют собой варианты построения схемы и могут быть применены в различных сочетаниях.

Предельное значение амплитуды U_М напряжения 20 в режиме холостого хода формирователя определяется напряжением питания, диапазоном изменения напряжения 19 и разрядом конденсатора 7 током заряда конденсатора 2

U_М→ U_ПИТ-U_Д+(U_ДОП+U_ЭБ+U_ОГР)С₂/(С₁+С₂),

где U_Д - падение напряжения на открытом диоде 12; U_ЭБ - падение напряжения на переходе эмиттер - база транзистора 8; U_ОГР - напряжение ограничения усилителя 1.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что при достаточно большой емкости конденсатора С2, при которой разряд последнего мал (например, С2>10С1) и типовых характеристиках операционного усилителя, который целесообразно использовать в качестве усилителя 1, напряжение U_М может достигать 35-40 В, а коэффициент использования напряжения питания - значений 2,3-2,6. Это приводит к упрощению блоков питания, снижению веса, габаритных размеров и стоимости приборов и устройств с формирователями линейно изменяющегося напряжения.

Формула изобретения

1. Формирователь импульсов линейно изменяющегося напряжения, содержащий инвертирующий усилитель, первый конденсатор, включенный между входом инвертирующего усилителя и выходным выводом формирователя, узел формирования тока заряда и разряда первого конденсатора, отличающийся тем, что снабжен вторым конденсатором, включенным между выходом усилителя и выходным выводом формирователя, элементом сопротивления, включенном между выходным выводом формирователя и источником питания, а также транзистором, эмиттер которого подключен к выходу усилителя, коллектор - к выходному выводу формирователя, а база - к дополнительному источнику напряжения.

2. Формирователь по п.1, отличающийся тем, что элемент сопротивления выполнен в виде стабилизатора тока, последовательно соединенного с диодом.

3. Формирователь по п.1, отличающийся тем, что снабжен узлом фиксации нулевого уровня выходного напряжения.

4. Формирователь по п.3, отличающийся тем, что узел фиксации нулевого напряжения выполнен в виде двух, соединенных встречно последовательно и включенных между входом усилителя и выходным выводом формирователя диодов, общая точка которых через резистор соединена с источником напряжения смещения.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4