用單片IC產(chǎn)生精密三角波

摘要：本應用筆記介紹如何用MAX9000配合幾個無源器件實現(xiàn)單電源供電的三角波發(fā)生器。實現(xiàn)這一電路所需的有源器件包括：一個運放、一個比較器和一個電壓基準，MAX9000剛好集成了這三個器件。

引言

三角波較好的線性指標使得三角波發(fā)生器在許多“掃描”電路和測試設(shè)備中非常有用。例如，開關(guān)電源和感應馬達控制電路就需要用三角波發(fā)生器實現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)。本文介紹如何使用單片MAX9000 IC，配合幾個無源器件實現(xiàn)簡單的三角波發(fā)生器。MAX9000集成了一路高速運放、一路高速比較器和一個精密帶隙基準。

電路說明

圖1. 三角波發(fā)生器基本電路

圖2. 用MAX9000實現(xiàn)三角波發(fā)生器

圖1所示為三角波發(fā)生器的基本電路?，包括兩部分功能：積分器用于產(chǎn)生三角波輸出;帶有外部滯回的比較器(施密特觸發(fā)器)用于控制三角波幅度。

運放被配置成產(chǎn)生三角波的積分器，其基本原理為對恒壓積分產(chǎn)生一個線性斜坡電壓，積分器輸出通過施密特觸發(fā)器反饋到其反相輸入端。施密特觸發(fā)器的輸入閾值電壓根據(jù)三角波峰值電壓設(shè)定。

但圖1所示電路有一個缺點，三角波峰值電壓必須與比較器反相輸入端的基準電壓對稱。如要產(chǎn)生從0.5V至4.5V的三角波，則需要(0.5V + 4.5V)/2 = 2.5V的基準電壓，由于標準帶隙基準的輸出電壓是1.23V，所以最好能夠不依賴基準電壓獨立設(shè)置三角波輸出電壓。圖2中加在滯回網(wǎng)絡上的電阻R3即可幫助實現(xiàn)這一功能，使用R3后，MAX9000輸出的三角波峰值便不再受基準電壓的影響。

設(shè)計步驟

第一步. 構(gòu)建“觸發(fā)靈活”的比較器(施密特觸發(fā)器設(shè)計)

a) 選擇R2

比較器的CIN+引腳的輸入偏置電流小于80nA。為了降低輸入偏置電流帶來的誤差，流過R2的電流至少也應該有8µA。由于R2電流等于(VREF - VOUT)/R2，考慮到輸出有兩個狀態(tài)，分別計算R2：

R2 = VREF/IR2

R2 = [(VDD - VREF)/IR2]

在兩個結(jié)果中選擇較小的一個，例如，如果VDD = 5V、VREF = 1.23V、IR2 =8µA，計算得到的兩個R2的結(jié)果分別為471.25kΩ和153.75kΩ，因此R2選用154kΩ。

b) 選擇R1和R3

在三角波上升沿，比較器輸出低電平(VSS)，同樣，在三角波下降沿，比較器輸出高電平(VDD)。因此，比較器必須要在三角波峰值和谷值處反轉(zhuǎn)。對比較器同相輸入端進行節(jié)點分析，解方程即得出這兩個閾值：

本例中，三角波電壓范圍取0.5V至4.5V，將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. 產(chǎn)生精確三角波(積分器設(shè)計)

根據(jù)比較器的兩種輸出狀態(tài)，可計算出流經(jīng)R4的電流：

IR4 = (VDD - VREF)/R4

以及：

IR4 = VREF/R4

由于運放最大輸入偏置電流為2nA，因此，為了降低誤差，流經(jīng)R4的電流應總是大于0.2?A，由此可得出：

R4 < 6.12MΩ

三角波頻率計算公式如下：

本例中，取f = 25kHz、VOUT, P-P = 4V (對應0.5V至4.5V的三角波)、VREF = 1.23V。則時間常數(shù)為R4 × C = 9.27?s，選C = 220pF，得到R4 = 42.2kΩ。

第三步. 實驗驗證

如果運放沒有擺率限制，實驗結(jié)果應該與計算結(jié)果吻合。由于反饋電容以恒定電流充(放)電，輸出信號的最大變化率為：

考慮到工藝偏差，運放的典型擺率應該比輸出信號最大擺率高40%以上，在本例中為0.56V/µs。根據(jù)MAX9000的數(shù)據(jù)資料，其運放的擺率為0.85V/µs，所以能夠產(chǎn)生25kHz的三角波。

結(jié)論

圖3所示即為圖2中電路的輸出波形。

圖3 圖2中三角波發(fā)生器的輸出波形