設計目標

設計の説明

この回路は、三角波ジェネレータとコンパレータを活用して、デューティ サイクルが入力電圧に反比例する500kHzのパルス幅変調(PWM)波形を生成します。オペアンプとコンパレータ (U₃ および U₄) が、2 番目のコンパレータ (U₂) の反転入力に印加される三角波を生成します。入力電圧は、U₂ の非反転入力に印加されます。入力波形を三角波と比較して、PWM 波形が生成されます。出力波形の精度と線形性を高めるため、U₂ はエラー アンプ (U₁) の帰還ループ内に配置されます。

デザイン ノート

1. プッシュプル出力を持ち、伝播遅延が最小限のコンパレータを使用します。
2. 十分なスルーレート、GBW、電圧出力スイングを持つオペアンプを使用します。
3. C₁ により生み出される極は、スイッチング周波数より下で、可聴範囲を大きく上回るように配置します。
4. V_ref はインピーダンスが低い必要があります (たとえば、オペアンプの出力など)。

設計手順

1. エラー アンプの反転信号ゲインを設定します。
   $\mathrm{Gain}=-\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}=-1\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
   $\text{Select }\mathrm{}{\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_4=10\mathrm{k\Omega }$
2. 非反転ゲインをキャンセルするため、V_ref を分圧するための R₁ と R₂ を決定します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_dc}}=\left(1+\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}\right)\times \mathrm{Vref}$
   $\begin{array}{l}{\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_4=10\mathrm{k\Omega }\text{, }\end{array}{\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_dc}}=2.5\mathrm{V}$
3. PWM 出力信号のデューティ サイクルが 0% または 100% になることを避けるため、V_tri の振幅は、V_i の最大振幅 (2.0V) より大きくなるよう選択する必要があります。V_tri に 2.1V を選択します。V₁ の振幅は 2.5V になります。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{tri}}\text{ (Amplitude)}=\frac{{\mathrm{R}}_5}{{\mathrm{R}}_6}\times {\mathrm{V}}_1\left(\mathrm{Amplitude}\right)$
   $\text{Select }\mathrm{}\mathrm{}{\mathrm{R}}_6\text{ to be }\mathrm{}10\mathrm{k\Omega }\mathrm{}, \text{then compute }\mathrm{}\mathrm{}{\mathrm{R}}_5$
   ${\mathrm{R}}_5=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{tri}}\left(\mathrm{Amplitude}\right)\times {\mathrm{R}}_6}{{\mathrm{V}}_1 \left(\mathrm{Amplitude}\right)}=8.4\mathrm{k\Omega }\approx 8.45\mathrm{k\Omega }\text{ (Standard Value)}$
4. 発振周波数を500kHzに設定します。
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{t}}=\frac{{\mathrm{R}}_6}{4\times {\mathrm{R}}_7\times {\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{C}}_3}$
   $\text{Set }\mathrm{}{\mathrm{C}}_3=100\mathrm{pF},\text{ then compute }\mathrm{}\mathrm{}{\mathrm{R}}_7$
   ${\mathrm{R}}_7=\frac{{\mathrm{R}}_6}{4\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{t}}\times {\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{C}}_3}=5.92\mathrm{k\Omega }\approx 5.90\mathrm{k\Omega }\text{ (Standard Value)}$
5. アンプの帯域幅がスイッチング周波数未満に制限されるように、C₁ を選択します。
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{p}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_4\times {\mathrm{C}}_1}$
   ${\mathrm{C}}_1=100\mathrm{pF}\to {\mathrm{f}}_{\mathrm{p}}=159\mathrm{kHz}$
6. V_ref からのノイズがフィルタ処理されるように、C₂ を選択します。
   $\mathrm{}{\mathrm{C}}_2\mathrm{}=\mathrm{}100\mathrm{nF}\text{ (Standard Value)}$
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{div}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{C}}_2\times \frac{{\mathrm{R}}_1\times {\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}}=320\mathrm{}\mathrm{Hz}$

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

過渡シミュレーション結果

設計の参照資料

テキサス・インスツルメンツ、PWM ジェネレータ回路のシミュレーション、SPICE 回路シミュレーション ファイル

テキサス・インスツルメンツ、アナログ PWM ジェネレータ、5V、500kHz PWM 出力、リファレンス デザイン

設計に使用されているオペアンプ

設計のコンパレータ

設計の代替オペアンプ