一种基于镜像电流源的同步恒幅锯齿波发生器

1.本实用新型涉及一种锯齿波发生器的技术，尤其一种基于镜像电流源的同步恒幅锯齿波发生器，利用一个比较器电路将运放的输出电平值与基准电压比较，比较器的输出反过来控制运放的输入信号，使运放输出信号平均值处于恒定状态，实现了同步、恒幅的锯齿波发生。


背景技术：

2.锯齿波是常见的波形之一,标准锯齿波的波形先呈直线上升，随后陡落，再上升，再陡落，如此反复,是一种非正弦波，由于它具有类似锯子一样的波形，因此被命名为锯齿波。
3.锯齿波发生器的基本原理就是对电容的充放电控制，可以利用以恒定速率对一个电容器充电，然后利用一个开关让电容快速放电，就可以产生一个锯齿波。
4.通常可以利用一个运算放大器构成锯齿电压发生器，采用运放组成的积分电路对电容进行恒流充电，可得到线性上升的波形，采用滞回比较器比较线性上升波形的幅值，达到峰值后对电容进行放电，即可形成锯齿波信号。
5.运放电路虽然采用种种手段减少了“零点漂移”，但在某些环境中仍然存在“零漂”现象，所以一般的锯齿波发生器电路产生的锯齿波信号幅值并不稳定，但在某些电路自动控制领域如脉宽调制控制系统中需要幅值非常稳定的锯齿波形脉冲信号，所以需要设计一种恒幅锯齿波发生器。
6.本设计在传统锯齿波发生器电路的基础上，利用一个镜像电流源电路控制运放的输入信号，利用一个比较器电路将运放的输出电平值与基准电压比较，比较器的输出反过来控制运放的输入信号，使运放输出信号平均值处于恒定状态，实现了同步、恒幅的锯齿波发生。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠的锯齿波发生器的技术。
8.为实现上述目的，本实用新型提供一种基于镜像电流源的同步恒幅锯齿波发生器，所述锯齿波发生器，矩形脉冲信号通过电阻r1连接晶体管t3的基极， 12v供电依次通过晶体管t2的e-c极、电阻r2、晶体管t3的c-e极连接工作地， 12v供电同时通过晶体管t1的e-c极连接运放a2的输出端6脚，晶体管t1的基极与集电极短接，晶体管t2的集电极通过电容c1连接工作地，晶体管t2的集电极同时连接运放a1的同相输入端3脚，运放a1的输出端6脚与运放a1的反相输入端2脚短接，运放a1的输出端6脚同时通过电容c5连接运放a1的5脚，运放a1的1脚通过电容c4连接运放a1的8脚，运放a1的输出端6脚依次通过电阻r4、电容c3连接工作地，通过电阻r4、电容c3的连接点连接运放a2的同相输入端3脚，运放a2的反相输入端2脚依次通过电阻r3、反向电解电容c2连接运放a2的输出端6脚， 12v供电依次通过电阻5、电
阻r6连接工作地，电阻r5、电阻r6的连接点连接运放a2的反相输入端2脚，运放a1的输出端6脚输出与输入矩形脉冲信号同步、恒幅的锯齿波信号。
附图说明
9.附图1、附图2用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，附图1 是镜像电流源工作原理；附图2是同步恒幅锯齿波发生器电路图。
具体实施方式
[0010] 镜像电流源工作原理：镜像电流源由两只特性完全相同的晶体管t0和t1构成，如图1所示，由于晶体管t0的管压降u
ce0
与其b-e间电压u
be0
相等，此时u
cb
=0，从而能够确保晶体管t0工作于放大状态、而不会进入饱和工作状态，故晶体管t0集电极电流i
c0
= β0i
b0
。
[0011]
由于图1中t0和t1的b-e间电压相等，故两个晶体管基极电流i
b0
= i
b1
= ib;而由于两个晶体管电流放大系数β0=β1=β，故两个晶体管集电极电流i
c0
= i
c1
= ic= βib。
[0012]
可见，正是由于电路的这种特殊接法，造成i
c1
和i
c0
呈镜像关系，因而称此电路为镜像电流源，其中经过电阻r的电流ir为基准电流，i
c1
为输出电流供负载。
[0013]
当β远大于2时，输出电流ic可由如下公式求出：
[0014]
ic≈ir=(v
cc-v
be
)/r
[0015] 因此，当v
cc
和电阻r的数值确定时，输出电流i
c1
也就确定，同理，基准电流ir增大、输出电流i
c1
必将增大。
[0016]
与传统锯齿波发生器相似，该同步恒幅锯齿波发生器也是一个与输入脉冲同步的锯齿形脉冲信号发生器，电气原理如图2所示，由图可以看到该锯齿波发生器由矩形脉冲信号输入电路、共射极放大器电路、高频滤波电路、镜像电流源电路、电压跟随器电路、积分电路、比较器电路等组成。
[0017]
晶体管t3及外围电路组成一个共射极放大器，矩形脉冲信号通过输入电阻r1进入t3的基极，共射极放大器通过集电极的输出电阻r2输出放大以后的矩形脉冲信号，经高频滤波电容c1滤除干扰信号，进入运放a1的同相输入端。
[0018]
晶体管t1、t2构成镜像电流源电路，晶体管t2集电极电流就是上文公式中所述镜像电流源的输出电流ic，晶体管t1集电极与运放a2输出端之间的电流就是镜像电流源的基准电流ir，这里需要注意，由于比较器a2存在，该设计所述的基准电流ir值并非固定不变，而是随着比较器a2输出的反转，基准电流ir值处于随时调整过程中，其实正是由于ir值的不断调整，可以使运放a1的输出锯齿波信号幅值处于比较恒定的状态，下面会详细介绍。
[0019]
所以由图2可知，晶体管t3的集电极电流不但受输入矩形脉冲信号的控制，另外还受镜像电流源电路晶体管t2集电极电流的控制。
[0020]
另外，可以看到在本设计中，共射极放大器不是从t3的集电极输出信号，而是通过电阻r2输出到运放a1反相输入端，故晶体管t3及电阻r2两者结合起来实际上可以看成一个可调电阻，这样更容易理解由晶体管t3构成的共射极放大器的真正功能，此可调电阻的阻值既受输入矩形脉冲信号控制，又受上述基准电流的控制。
[0021]
所述基准电流越大，可调电阻就越大，电阻r2上端的脉冲信号幅值越高，经过c1滤除高频干扰以后形成的矩形脉冲波幅值越高，所以运放a1的输入信号电平值越高。
[0022]
运放a1构成一个同相比例运算电路，由于a1输出端与其反相输入端直接导通连接，故输出电压的全部都将反馈到反相输入端，电路引入了电压串联负反馈，且反馈系数为“1”，由于uo=u
p
=un，故运放a1输出电压与输入电压的关系为：
[0023]
uo=ui[0024]
所以以上同相比例运算电路构成了一个电压跟随器电路，电容c1上的矩形脉冲就是电压跟随器的输入电压，跟随器输入电压越高、其输出电压也越高。
[0025]
电压跟随器的输出端将连接由阻容网络r4/c3构成的积分电路，形成锯齿波信号的上升沿。
[0026]
传统锯齿波发生电路之所以可以将矩形脉冲波信号生成锯齿形脉冲信号，是由于积分电路的正向积分的时间常数远大于反向积分的时间常数，或者反向积分的时间常数远大于正向积分的时间常数，那么输出电压的上升和下降的斜率相差很多，就可以获得锯齿波。
[0027]
通常利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不同，就可得到锯齿波发生电路。
[0028]
本设计同样要利用积分电路来形成锯齿波信号，积分电路中电容的充电过程将形成锯齿波信号的上升沿，这一点与传统锯齿波发生电路相同，但锯齿波形下降沿的形成与传统电路差别很大。
[0029]
从图2可以看到，电容c1上的矩形脉冲信号通过电压跟随器、电阻r4向电容c3充电，电容充电的过程形成了锯齿波上升沿曲线，与传统锯齿波发生器电路不同，锯齿波的下降沿曲线由运放a2组成的比较器控制。
[0030]
供电电压12v通过分压电阻r5、r6形成一个直流电压，以此作为比较器a2的反相端基准电压，电容c3的充电电压连接比较器a2的同相输入端，比较器的输出端连接镜像电流源电路晶体管t1的集电极。
[0031]
基于电容端电压不能突变的特性，所以这里同样需要注意，由于比较器a2的输出处于不断反转状态，电解电容c2的存在会使比较器a2的反相端基准电压不是一个稳定的电压值，而是处于不断变化中，a2输出为高电平的时候，a2的反相端基准电压将在a2输出高电平的基础上叠加。
[0032]
所以比较器a2把电压跟随器a1的输出信号在电容c3上充电信号u
c3
（u
c3
可以认为a1输出信号的平均值），与反相端基准电压进行比较，比较的结果将改变镜像源电路的基准电流ir，从而形成锯齿波信号的下降沿曲线，过程简述如下：
[0033]
如果该锯齿波发生器输出的锯齿波信号最大值到达预期幅值（这时恰好就是比较器a2的反相端基准电压值），再增加无穷小量，比较器a2输出反转为高电平，镜像电流源的基准电流将减小到几乎为“0”，从而控制镜像电流源的输出电流i
c2
（晶体管t2集电极电流）也几乎为“0”，进一步控制共射极放大器t1通过电阻r2的输出电压几乎为“0”，电压跟随器a1输出突变为“0”（以工作地为逻辑0），从而形成了锯齿波信号的下降沿。
[0034]
输出锯齿波脉冲与输入矩形波脉冲的同步很容易理解，只要电阻r4、电容c3构成的积分电路的时间参数合理选择以及输入矩形波脉冲处于100hz~5khz范围，做到输入与输出的同步并不难。
[0035]
跟随器a1输出锯齿波信号如果由于某种原因幅值变大，比较器a2同相端电压变大，
a2输出高电平，镜像电流源基准电流ir变为“0”，跟随器a1输出电压的平均值减小；反之，如果输出锯齿波信号幅值变小，以上各参考点电压、电流变化相反变化。
[0036]
如果该设计的输入矩形波脉冲信号幅值由于某种原因增大，电阻r2输出电压增大，跟随器a1输出增大，将会导致比较器a2输出电压反转，镜像电流源基准电流ir变为“0”，跟随器a1输出电压的平均值减小；反之，如果矩形波脉冲信号幅值由于某种原因减小，以上变化相反。
[0037]
经过以上分析，可以发现跟随器a1的输出电压幅值始终处于一个相对稳定的状态。
[0038]
输出锯齿波信号的幅值可按下式计算：
[0039]ua1-6
=r6/(r5 r6)*2ub[0040] 其中u
a1-6
为锯齿波输出信号幅值，本电路供电电压为ub=12v。
[0041]
注意事项：电阻r4、电容c3构成的积分电路组成锯齿波信号发生控制系统的时间常数，如果时间常数太小，锯齿波的上升边沿容易变成正弦波形，从而使输出锯齿波信号的线性度受到影响。
[0042]
若元件值取图2所示，则频率范围可达100hz~5khz若换用高性能的运算放大器，振荡上限频率还可以展宽，此时电容器c1的容量则需相应改变。
[0043]
本电路供电电压ub为12v，电流消耗小于10ma。
[0044]
该设计在传统锯齿波发生器的基础上，由输出电压通过比较器电路控制输出电流，利用镜像电流源基准电流与输出电流相等的特性，从而控制输入信号的幅度，最终实现了锯齿波信号同步、恒幅，方法比较新颖，控制精度较高。