应用笔记 4362

用单片IC产生精密三角波

By: Akshay Bhat

摘要 : 本应用笔记介绍如何用MAX9000配合几个无源器件实现单电源供电的三角波发生器。实现这一电路所需的有源器件包括:一个运放、一个比较器和一个电压基准,MAX9000刚好集成了这三个器件。

引言

三角波较好的线性指标使得三角波发生器在许多“扫描”电路和测试设备中非常有用。例如,开关电源和感应马达控制电路就需要用三角波发生器实现脉宽调制(PWM)。本文介绍如何使用单片MAX9000 IC,配合几个无源器件实现简单的三角波发生器。MAX9000集成了一路高速运放、一路高速比较器和一个精密带隙基准。

电路说明

图1. 三角波发生器基本电路
图1. 三角波发生器基本电路

图2. 用MAX9000实现三角波发生器
图2. 用MAX9000实现三角波发生器

图1所示为三角波发生器的基本电路¹,包括两部分功能:积分器用于产生三角波输出;带有外部滞回的比较器(施密特触发器)用于控制三角波幅度。

运放被配置成产生三角波的积分器,其基本原理为对恒压积分产生一个线性斜坡电压,积分器输出通过施密特触发器反馈到其反相输入端。施密特触发器的输入阈值电压根据三角波峰值电压设定。

但图1所示电路有一个缺点,三角波峰值电压必须与比较器反相输入端的基准电压对称。如要产生从0.5V至4.5V的三角波,则需要(0.5V + 4.5V)/2 = 2.5V的基准电压,由于标准带隙基准的输出电压是1.23V,所以最好能够不依赖基准电压独立设置三角波输出电压。图2中加在滞回网络上的电阻R3即可帮助实现这一功能,使用R3后,MAX9000输出的三角波峰值便不再受基准电压的影响。

设计步骤

第一步. 构建“触发灵活”的比较器(施密特触发器设计)

a) 选择R2
比较器的CIN+引脚的输入偏置电流小于80nA。为了降低输入偏置电流带来的误差,流过R2的电流至少也应该有8µA。由于R2电流等于(VREF - VOUT)/R2,考虑到输出有两个状态,分别计算R2:

R2 = VREF/IR2

以及:

R2 = [(VDD - VREF)/IR2]

在两个结果中选择较小的一个,例如,如果VDD = 5V、VREF = 1.23V、IR2 = 8µA,计算得到的两个R2的结果分别为471.25kΩ和153.75kΩ,因此R2选用154kΩ。

b) 选择R1和R3
在三角波上升沿,比较器输出低电平(VSS),同样,在三角波下降沿,比较器输出高电平(VDD)。因此,比较器必须要在三角波峰值和谷值处反转。对比较器同相输入端进行节点分析,解方程即得出这两个阈值:

式1.

式2.

本例中,三角波电压范围取0.5V至4.5V,将VIH = 4.5V、VIL = 0.5V、VDD = 5V和VREF = 1.23V代入方程,可得出R1 = 124kΩ,R3 = 66.5kΩ。

第二步. 产生精确三角波(积分器设计)

根据比较器的两种输出状态,可计算出流经R4的电流:

IR4 = (VDD - VREF)/R4

以及:

IR4 = VREF/R4

由于运放最大输入偏置电流为2nA,因此,为了降低误差,流经R4的电流应总是大于0.2µA,由此可得出:

R4 < 6.12MΩ

三角波频率计算公式如下:

式3.

本例中,取f = 25kHz、VOUT, P-P = 4V (对应0.5V至4.5V的三角波)、VREF = 1.23V。则时间常数为R4 × C = 9.27µs,选C = 220pF,得到R4 = 42.2kΩ。

第三步. 实验验证

如果运放没有摆率限制,实验结果应该与计算结果吻合。由于反馈电容以恒定电流充(放)电,输出信号的最大变化率为:

式4.

考虑到工艺偏差,运放的典型摆率应该比输出信号最大摆率高40%以上,在本例中为0.56V/µs。根据MAX9000的数据资料,其运放的摆率为0.85V/µs,所以能够产生25kHz的三角波。

结论

图3所示即为图2中电路的输出波形。

图3. 图2中三角波发生器的输出波形
图3. 图2中三角波发生器的输出波形



参考文献
¹ Terrell, David L., "Opamps: Design, Application and Troubleshooting," ISBN 0-7506-9702-4.