Часть1 (Рябов В.Т. - Комплексная разработка механических, электронных и программных компонентов ТО), страница 17

Из чисто практических требований добавим сюда не критичность и наибольшее использование напряжения питания и минимальное внутреннее потребление. Хотелось бы, чтобы ОУ работал в широкомдиапазоне питающих напряжений и был способен работать как при двух, так и униполярномпитающем напряжении. Чтобы входные и выходной сигналы охватывали весь диапазон питающего напряжения.Рис.2.15. Типовые схемы включения ОУ: а) неинвертирующий усилитель; б) дифференциатор; в) интегратор; г) сумматор; д) компаратор; е) дифференциальный усилитель.Минимизация входных токов. Первые ОУ были сделаны на биполярных транзисторах.

Эти транзисторы обладают заметным током базы. Все усилия разработчиков были направлены на его уменьшение. Появились ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах. Сначала это были полевые транзисторы с затвором на p-n переходах. С развитием МОПтехнологий появились ОУ, полностью выполненные на полевых транзисторах. Входные токистали наноамперными. На одном кристалле стали размещать до четырех и более каскадовОУ, это же относится и к биполярным технологиям. МОП ОУ, как правило, не критичны кпитанию, полностью используют его размах по входу и выходу (т.н. rail-to-rail усилители,т.е. усилители, выходной сигнал которых не дотягивает до напряжений питания ста милливольт и менее).Минимизация смещения и температурного дрейфа. МОП транзисторы технологически воспроизводятся хуже биполярных и усилители по МОП технологии, при всех их плюсах, вытеснить биполярные не смогли.

Супербетта-транзисторы помогли биполярным ОУсделать входные токи менее микроампера, подтянули их к rail-to-rail. В ответ появилисьМОП усилители с автоматической компенсацией смещения нуля и температурного дрейфа.Идея автоматической компенсации в том, что входы усилителя на некоторое время замыкаются, коэффициент усиления делается единичным. На выходе при этом появляется напряжение смещения.

К выходу подключается и заряжается до напряжения смещения эталонный конденсатор. Затем он в соответствующей полярности подключается ко входу и состояние ОУ восстанавливается. Дрейф и смещение оказываются скомпенсированными. Такая операция регулярно проводится автоматически. Хорошо, но не всегда допустимо. И, с точки зрения стабильности смещения и температурного дрейфа биполярные ОУ пока лучше, к тому же у них нет такого врага, как статическое электричество. Биполярные ОУ допускают более вольное обращениепри монтаже и пайке на плату.55Внутреннее потребление ОУ во многом определяется требуемыми частотными свойствами. Для его минимизации в обоих технологиях появились так называемые программируемые ОУ, ток питания которых можно определить и ограничить внешними цепями исходяиз требуемых свойств.На рис.2.16 показана схема инструментального усилителя, выполняющего те же функции усиления разности двух сигналов, что и схема на рис.2.15, е).

Она имеет высокие входныесопротивления по входам, поэтому не искажает входные сигналы.Прежде всего, отметим, что все преимущества схемы в полной мере могут быть реализованы, если хотя бы два первых ОУ выполнены на одном кристалле. Схема настолькоудачна, что выпускается сейчас многими производителями в интегральном исполнении, вэтом случае она действительно проявляет свои наилучшие свойства, поскольку параметрывсех компонентов согласованы должным образом.

Входные сигналы U+ и U- усиливаются впервом каскаде усилителя. При этом, естественно, усиливается напряжение смещения и температурный дрейф. Два резистора R2 должны быть идентичны. Для выходных напряженийпервых каскадов UВ+ и UВ- , приложенных к резисторам R3 имеем:R2U В + − U В − = (1 + 2 )i(U + − U − ).R1Сигналы смещения и температурного дрейфа обоих усилителей вычитаются, по-этому, если они идентичны, компенсируют друг друга. Идентичности каналов ОУможно добиться, выполняя их на одном кристалле. Далеесигналы UВ+ и UВ- поступают на входы рассмотренногонами ранее дифференциального усилителя, так что выходной сигнал схемы будет равен:R2 R4)i i(U + − U − ).R1 R3Рис.2.16. Схема инструменПри этом также должны быть согласованы R3 и R4.тального усилителя.В современных интегральных инструментальных усилителях пользователю предоставлена возможность изменять сопротивление резистора R1, присоединяя параллельно ему внешний резистор и увеличивая коэффициент усиления до необходимой величины.

Такие схемы недороги, и, если требуется усиливать разностный сигнал,практически полностью вытеснили усилители на отдельных каскадах ОУ.В заключение хотелось бы отметить, что в настоящее время разработаны и поставляются специализированные блоки аналоговой обработки информации различных датчиков.Они выдают стандартные выходные сигналы, метрологически проверены и, часто, аттестованы в Российской Федерации и за рубежом.Все большее распространение получают и универсальные схемы обработки аналоговой информации, носящие название FPАA (Field Programmable Analog Arrays). Это массивыоперационных и инструментальных усилителей, резисторов и других цепей коррекции сигналов, которые могут программно коммутироваться и настраиваться в процессе работы.Коммутация осуществляется полевыми транзисторами с плавающими затворами (см.

устройство репрограммируемых постоянных запоминающих устройств в следующем разделе).Контрольные вопросы.1. Операционный усилитель: идеальные и реальные параметры.2. Технологии производства и параметры ОУ.2. Правила расчета ОУ на примере неинвертирующего усилителя.3. Операционный усилитель: дифференциаторы и интеграторы. компараторы.5. Инструментальный усилитель. Вывод формулы коэффициента усиления.U ВЫХ = (1 + 2562.3.

Технологии и типовые элементы для обработки дискретной информации. Комбинационные логические схемыЭлементы для обработки дискретной информации делятся на две большие группы:комбинационные логические схемы (КЛС) и последовательностные схемы. У КЛС выходнойсигнал определяется входом, у последовательностных схем – выход определен входом и состоянием схемы. Входов и выходов может быть несколько, говоря обобщенно вход или выход, мы подразумеваем некоторый вектор X или Y. КЛС – это группа логических вентилей, воснове которых основные логические операции НЕ, И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и их сочетания. Последовательностная схема образуется введением в КЛС обратных связей, так чтоКЛС является и основой их построения.

Здесь мы изучим основы построения КЛС, необходимые нам для их грамотного использования.Интегральная схемотехника лишь тогда смогла добиться потрясающих результатов,когда смогла освободиться от инерции схемотехнических решений для дискретных компонентов. Впервые схемотехники поверили в нее, когда появилась транзисторно-транзисторнаялогика ТТЛ и соответствующая ей технология их производства - ТТЛ технология.Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) и ТТЛ с диодами Шоттки. ОсновуТТЛ составляет многоэмиттерный транзистор (рис.2.17) – элемент, не слишком нужный вкачестве отдельного дискретного компонента. Если на обоих входах Х1 и Х2 высокий уровень, ток, протекающий через резистор R1 и базово-эмиттерный переход транзистора VT1попадает в базу транзистора VT2 (рис.2.17, а).На рис. 2.17, б) и 2.17, в) показан диодный эквивалент многоэмиттерного транзистораVT1.

Если на входах Х1 и Х2 высокий уровень, транзистор VT2 оказывается открыт и входитв состояние насыщения, так как на его базу поступает ток Iб2. На коллекторе формируетсянизкий уровень (менее 0.6В, уровень нуля), т.к. все напряжение при протекании коллекторного тока падает на резисторе R2. Как только на одном из входов Х появляется низкий уровень (рис. 2.17, б), ток начинает протекать через соответствующий эмиттерный переход (типовое значение тока – 0.25мА).

Ток базы транзистора VT2 пропадает и транзистор закрывается. За счет этого напряжение на коллекторе возрастает практически до напряжения питания (уровень единицы). В таблице истинности (рис.2.17, г) приведены значения входов X1,X2 и выхода Y. Как видим, получился элемент И-НЕ.Реальная схема ТТЛ элемента сложнее. В «нуле» коллектор транзистора VT2 способенпринять достаточно большой ток (10 мА и более), а вот в единице выходящий ток создает заметное падение напряжения на резисторе R2.Уменьшение R2 приведет к перегрузке выходного транзистора.Поэтому для повышения нагрузочной способности в «единице»добавляют еще одинРис.

2.17. Ячейка И-НЕ транзисторно-транзисторной логики:каскад из двух синфаза) упрощенная принципиальная схема; б) диодный эквивалент VT1ноработающих транзипри высоком уровне X1, X2 на обоих эмиттерах; в) диодный эквисторов (один открыт,валент VT1 при низком уровне X1; г) таблица истинности ячейки.второй закрыт).Представленная на рис. 2.17 схема ТТЛ элемента, несмотря на упрощения, отражаетосновные свойства этой логики:− входы не потребляют, а отдают ток;− выход в нуле потребляет ток, нагрузочная способность достаточно высока;− в единице выход выдает ток, причем, нагрузочная способность ниже, чем в нуле;− в нуле выходной каскад находится в состоянии глубокого насыщения.57Схема и технология ее реализации достаточно просты, а топология не может бытькомпактной.