Аналоговые перемножители напряжений

Лекция 10. Аналоговые перемножители напряжений

Устройство и принцип действия. Аналоговыми перемножителями напряжений называют интегральные микросхемы, предназначенные для выполнения операции перемножения двух сигналов и выдачи результата перемножения в форме напря­жения

где Ur=K~^ — масштабирующее напряжение

Особенностью операции перемножения является то, что полярность выходно­го напряжения определяется полярностями двух входных напряжений, каждое из которых может быть как положительным, так и отрицательным Если входные и выходные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными, и полярности их согласованы, то такой перемножитель называется четырехквадран­тным Графическая зависимость выходного напряжения от входных напряжений t/c uUy приведена на рис 10 1 а Если выходной сигнал изменяет полярность при изменении полярности только одного входного сигнала, то умножитель называют двухквадрантным Если все сигналы могут быть только однополярными, то умно­житель называют одноквадрантным

Масштабирующее напряжение t/r обычно является постоянным (хотя и с подстройкой), но в большинстве микросхем перемножителей значением этогоВо второй схеме (рис 976) компаратор К управляет коммутирующим тран­зистором Т, который в свою очередь управляет цифровой микросхемой ТТЛ Диод D в базе транзистора Т выполняет защиту базы транзистора от пробоя отрицательным выходным напряжением компаратора.

Третья схема (рис. 97 в) показывает подключение цифровой микросхемы к компаратору К через токоограничивающий резистор -Ко Такую схему лучше при­менять с цифровыми микросхемами серии КМОП

И, наконец, в четвертой схеме (рис 9 7 г) кроме токоограничивающего резис­тора Ro имеется фиксирующий диод D, который отпирается, если напряжение на входе цифровой микросхемы поднимается выше 5В

Для компарирования аналоговых сигналов можно применять операционные усилители В этом случае для ограничения выходного напряжения в цепь отрица­тельной обратной связи ОУ включают стабилитрон с напряжением включения, зависящим от типа цифрового логического элемента Основными недостатками компараторов на ОУ являются невысокое быстродействие и большое число вне­шних дискретных элементов Время переключения таких компараторов обычно имеет значение 0,5 1,0мкс Для устранения паразитной генерации используется внешняя положительная обратная связь, при помощи которой формируется зона гистерезиса

Рекомендуемые материалы

Лекция 10. Аналоговые перемножители напряжений

Устройство и принцип действия. Аналоговыми перемножителями напряжений называют интегральные микросхемы, предназначенные для выполнения операции перемножения двух сигналов и выдачи результата перемножения в форме напря­жения

где Ur=K~^ — масштабирующее напряжение

Особенностью операции перемножения является то, что полярность выходно­го напряжения определяется полярностями двух входных напряжений, каждое из которых может быть как положительным, так и отрицательным Если входные и выходные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными, и полярности их согласованы, то такой перемножитель называется четырехквадран­тным Графическая зависимость выходного напряжения от входных напряжений t/c uUy приведена на рис 10 1 а Если выходной сигнал изменяет полярность при изменении полярности только одного входного сигнала, то умножитель называют двухквадрантным Если все сигналы могут быть только однополярными, то умно­житель называют одноквадрантным

Масштабирующее напряжение t/r обычно является постоянным (хотя и с подстройкой), но в большинстве микросхем перемножителей значением этого напряжения можно управлять, подавая ток или напряжение управления на третий вход Поскольку в аналоговых перемножителях выходное напряжение зависит от двух входных напряжений, то его характеристики могут сложным образом зави­сеть от этих напряжений. В реальном перемножителе выходное напряжение ока­зывается пропорциональным не только произведению входных сигналов, но и самим входным сигналам, поэтому для его оценки обычно пользуются формулой

где К„ — постоянный коэффициент передачи умножителя, К^, Ку — коэффициен­ты, определяющие смещение, зависящее от уровня входных сигналов £4 и Uy, K^Ucu— смещение нулевого уровня

Для получения высокой точности перемножения сигналов в микросхемах пе­ремножителей вводятся по крайней мере четыре регулировки, позволяющие уста­новить требуемый коэффициент передачи Лд и устранить прямое прохождение сигналов U^ и Uy. Кроме этого, вводится регулировка смещения нулевого уровня В большинстве случаев масштабирующий коэффициент перемножителя выбирают таким, чтобы выполнялось соотношение

т. е К„ = 0,1 В '. Это условие использовано при построении графика рис 10 1

спи iu i передаточные характеристики псрсмнижигеля напряжении1

Разработано несколько способов построения аналоговых перемножителей напряжения: логарифмирующие, квадратирующие, с широтноимпульсной модуля­цией и др., однако в интегральных микросхемах премущественно применяется метод построения перемножителей на принципе переменной крутизны. Базовая схема перемножителя с переменной крутизной приведена на рис. 10.2 а, а его уп­рощенная структурная схема изображена на рис. 10.2 б.

Этот метод основан на зависимости крутизны биполярного транзистора от тока эмиттера. С этой целью в схему введен дифференциальный каскад, на вход которого подается сигнал Uy Выходное напряжение дифференциального каскада пропорционально произведению крутизны S на входное напряжение Vy

где 2?н — сопротивление нагрузки.

Для регулирования крутизны дифференциального каскада в схему введен пре­образователь напряжения Uy в ток i, на транзисторе 73. При достаточно большом значении сопротивления Ry ток эмиттера транзистора 73 можно определить по формуле

В свою очередь, крутизна биполярного транзистора, используемого в схеме дифференциального каскада, определяется из уравнения Эберса — Молла

Рис. 10.2. Упрощенная схема перемножителя с переменной крутизной: принципиальная (а) и структурная (б)

При выполнении условия Ue,>(f>r ток коллектора

откуда находим крутизну транзистора в виде

Подставляя значение крутизны и тока эмиттера, найдем выходное напряже­ние перемножителя

где А'п=/?н/(-^э<Рг) — коэффициент передачи перемножителя.

Приведенная базовая схема перемножителя имеет ряд существенных недостатков:

• входной дифференциальный каскад имеет симметричный выход, не позволя­ющий применять заземленную нагрузку;

• преобразователь напряжения Uy в ток 4 имеет несимметричный вход и, сле­довательно, на вход Uy можно подавать сигнал только одной полярности, т. е. преобразователь может быть только двухквадрантным;

• входной сигнал U^ связан с коллекторным током и напряжением эмиттерно-го перехода экспоненциальной зависимостью (10.5), которая вносит нели­нейность, даже при очень малом уровне напряжение Uy

Для устранения этих недостатков схему перемножителя усложняют. Для созда­ния симметричного входа по сигналу Uy базовую схему перемножителя дополняют вторым дифференциальным каскадом, входы которого включены параллельно входам первого. Коллекторные выходы второго каскада соединены перекрестие с коллекторными выходами первого каскада, как показано на рис. 10.3. Благодаря симметричному входу сигнала Uy усовершенствованный перемножитель может ра­ботать во всех четырех квадрантах, т. е. становится четырехквадрантным.

Для схемы четырехквадрантного перемножителя можно записать уравнение, определяющее выходное напряжение:

После перегруппировки членов выражения (Ш.б) получим:

Разностные токи пропорциональны входному напряжению t/, и крутизне дифференциальных каскадов S или 5г соответственно

После подстановки значении разностных токов в уравнение (1U.9) запишем уравнение для выходного напряжения в виде

где <,1-<э2=Аг'э — разность эмиттерных токов двух дифференциальных каскадов.

Рис. 10.3. Упрощенная схема четырехквадрантного перемножителя напряжений (а) и преобразователь симметричного выходного сигнала в несимметричный (б) I

Пренебрегая падением напряжений база-эмиттер транзисторов Т5 и 76 най­дем значение разностных токов эмиттеров в виде

Подставив значение (10.12) в формуле (10.11), получим окончательное значе­ние выходного напряжения перемножителя

откуда следует, что K„=Ru/(Ry<f>T)-

Преобразование симметричного выхода перемножителя в несимметричный в специализированных микросхемах выполняют при помощи дифференциального усилителя на ОУ. Схема подключения такого усилителя приведена на рис. 10.3 б. Выходной сигнал перемножителя поступает на симметричный вход ОУ. Коэффи­циент передачи такого усилителя равен отношению сопротивлений Ro/R.

Для расширения диапазона входных сигналов и исключения нелинейности, связанной с экспоненциальной зависимостью коллекторных токов от напряжения база-эмиттер, в схему перемножителя вводят каскад предварительного преобразо­вания напряжения U'y Схема такого каскада, в котором для логарифмирования входного сигнала U'е используется дифференциальный усилитель с диодной на­грузкой, приведена на рис. 10.4. По структуре эта схема идентична схеме преобра­зования сигнала Uy, приведенной на рис. 10.3 а. Для схемы, приведенной на рис. 10.4, можно записать следующие уравнения, связывающие напряжение на входе U'^ и выходе (/д каскада

^S/   =/pWfT

R^-ix-ise

откуда найдем напряжение на вы­ходе логарифмического преобразо­вателя.

t/,=^=(prln^=(prln^. (10.14)

Благодаря логарифмическому преобразованию происходит комп­рессия (сжатие) входного сигнала U'^ в сравнительно небольшое из­менение выходного напряжения U„ которое подается на вход пере­множителя. По сути дела анало­гичное преобразование выполняет­ся и в канале напряжения U,, толь­

Рис 10 4 Схема входного логарифмического преобразователя напряжения для перемножителя напряжений

ко роль диодных нагрузок выполняют переходы база-эмиттер транзисторов. Основными параметрами перемножителей и напряжений являются.

• погрешность перемножения, которая определяется следующими соотношениями.

— абсолютная погрешность A„=t/,,^-(U^i/y)/10,

— относительная погрешность бп=А„/10-100%=10А„%,

• нелинейность перемножения — максимальная разность между фактическим и теоретическим значениями выходного сигнала,

• напряжение смещения нулевого уровня — напряжение на выходе перемно­жителя при нулевом значении напряжений на входах U^=Uy'=0,

• входные токи перемножителя Isxx и 1^у,

• полоса пропускания при малом уровне сигнала на одном из входов и посто­янном напряжении — на другом,

• максимальное значение выходного напряжения 6„,,„ „акс;

• максимальный выходной ток /выхмакс-

Кроме перечисленных иногда приводятся дополнительные параметры перемно­жителей скорость нарастания выходного напряжения, фазовый сдвиг при изменении частоты входных сигналов, входное сопротивление и выходное сопротивление

Погрешность перемножения является результирующей и зависит от всех час­тных погрешностей: погрешности, вызванной смещением нулевого уровня, по­грешности пролезания сигналов U, и Uy, нелинейности характеристики перемно­жения и погрешности масштабирующего коэффициента К„. Напряжение смещения нулевого уровня, приводимое в справочных данных, указывает максимальное зна­чение напряжения смещения при условии, что входы Х и Y соединены с общим выводом источника питания (U^=l7y=0) без внешней подстройки С помощью внешней подстройки смещение можно снизить до нулевого значения, однако с изменением температуры оно будет изменяться.

Масштабирующий коэффициент К„ представляет собой статический параметр и в большинстве перемножителей его значение принято равным 0,1 В '. Однако в ряде случаев применяются масштабирующие коэффициенты, отличные от этого значения. В некоторых случаях имеется даже возможность подстройки масштабирующего коэф­фициента. Погрешность масштабирующего коэффициента может быть сведена к нулю подстройкой в какой-либо точке диапазона. Подстроить значение масштаби­рующего коэффициента во всем диапазоне невозможно из-за нелинейности.

Погрешность нелинейности не поддается уменьшению. Обычно ее оценивают по максимальному отклонению от среднего значения масштабирующего коэффи­циента.

Погрешность, связанная с прямым прохождением сигнала, состоит из двух частей — линейной и нелинейной. Линейная часть является произведением напря­жения на сигнальном входе и напряжения смещения нуля. Ее можно скомпенсиро­вать до нуля введением равного по значению и противоположного по знаку на­пряжения коррекции на подстраиваемом входе. Нелинейная часть обусловлена нелинейностью схемы перемножителя и ее нельзя убрать подстройкой смещения.

Динамика перемножителя характеризуется полосой пропускания по уровню 0,7 при малом сигнале (т.е. по уменьшению коэффициента передачи на ЗдБ). Понятие «малый» сигнал означает, что уровень выходного сигнала не превышает 10% от максимального значения выходного напряжения. Полоса пропускания су­щественным образом зависит от сопротивлений нагрузки перемножителя. В связи с этим перемножители, которые предназначены для работы в широкой полосе частот, имеют открытый коллекторный выход, к которому подключается внешнее сопротивление нагрузки. Так, например, для перемножителя МС1495 при сопро­тивлении нагрузки 11 кОм полоса пропускания равна 3 МГц, а при сопротивлении 500м полоса пропускания расширяется до 80МГц.

Классификация и типы перемножителей. Перемножители напряжений можно разделить по следующим признакам: принципу действия, полосе частот и погреш­ности перемножения. По принципу действия перемножители можно разделить на три основные группы: логарифмические, с широтно-импульсной модуляцией и с переменной крутизной. Первые два типа промышленностью не выпускаются. Имеются только базовые узлы логарифматоров и широтно-импульсных модулято­ров, однако законченных перемножителей нет. Серийно выпускаются только пе­ремножители на принципе управления крутизной дифференциального каскада, рассмотренные выше.

По погрешности перемножения выпускаемые перемножители можно разде­лить на группы малой, средней и высокой точности. Перемножители малой точ­ности являются самыми простыми — они не содержат входного логарифматора и выходного ОУ. Обычно такие перемножители называют балансными модулятора­ми и используют для преобразования частоты сигналов. Погрешность балансных модуляторов обычно не нормируется. Такие перемножители имеют открытый коллекторный выход, который допускает подключение резистивной или индуктив­ной нагрузки (например, колебального контура). В табл. 10.1 приведены основные Таблица 10 1 Основные параметры микросхем балансных модуляторов

параметрь! некоторых типов балансных модуляторов, используемых в различных электронных схемах' селекторах каналов, радиоприемниках, делителях и умножите­лях частоты, частотных и фазовых детекторах. Система обозначений допускает ис­пользовать для таких микросхем два варианта обозначения, группа МА — модуля­торы амплитудные и группа ПС — перемножители и преобразователи частоты.

Перемножители средней точности обычно содержат входной логарифматор, позволяющий увеличить входной сигнал до 10В. Выходной операционный усили­тель и нагрузочные резисторы в таких перемножителях не входят в состав микро­схемы. Погрешность перемножения таких перемножителей больше 1%.

Перемножители высокой точности имеют в своем составе все элементы для построения схемы перемножения входной логарифматор, выходной операцион­ный усилитель и стабилизатор напряжений питания отдельных узлов микросхемы. Нагрузочные резисторы и резисторы обратной связи операционных усилителей в таких перемножителях выполняются с высокой точностью с помощью лазерной подгонки Входы высокоточных перемножителей могут быть симметричными (дифференциальными) или несимметричными. Погрешность перемножения в та­ких микросхемах обычно не превышает 1%. В табл 10.2 приведены основные параметры перемножителей средней и высокой точности.

Таблица 102 Основные параметры микросхем перемножителей напряжений

Рис. 105 Условное обозначение перемножителя напряжений (а) и его типовая схема включения (б)

Номинальное значение масштабного коэффициента Ап=0,1 для всех микро­схем, приведенных в табл. 10.2. Входное сопротивление на низкой частоте более ЮМОм. На рис. 10.5 приведено включение микросхемы аналогового перемножи­теля напряжении типа К525ПС2. Этот перемножитель имеет симметричные входы для сигналов U, и Uy. Если входные сигналы несимметричные, то другие выводы входов используют для корректировки напряжения смещения нулевого уровня по каждому из входов. Выходной ОУ также имеет вывод для подачи напряжения корректировки нулевого уровня (напряжения смещения). Внутри микросхемы име­ется резистор обратной связи ОУ, один вывод которого при значении Л"„=0,1 нужно подключить к выходу ОУ (вывод 2). При необходимости изменить масшта­бирующий коэффициент последовательно с этим резистором можно включить до­полнительное внешнее сопротивление.

Микросхема перемножителя средней точности К525ПС1 не содержит внутрен­него ОУ и нагрузочных резисторов. Поэтому при ее использовании эти элементы подключают дополнительно. На рис. 10.6 приведено типовое включение микро­схемы К525ПС1 в качестве перемножителя напряжений. Кроме того, в состав микросхемы не входят сопротивления 7?, и Ry, нормирующие передачи по каналам U^ и Uy. Эти сопротивления также подключаются к выводам микросхемы вне­шним образом. Графики передаточных характеристик перемножителей К525ПС1 и К525ПС2 приведены на рис. 10.66. Ввиду малой погрешности нелинейности (около 1%) на передаточных характеристиках отклонения от линейной зависимос­ти незаметны.

Рис 10 6 Включение микросхемы К525ПС1 в качестве перемножителя напряжении (а) и ее передаточные характеристики (б)

Применение перемножителей. Как уже отмечалось, микросхемы перемножите­лей находят применение в различных электронных устройствах. Кроме этого, они входят составной частью во многие специализированные микросхемы и узлы. Столь широкие применение ИМС перемножителей обусловлено прежде всего тем, что нелинейная операция перемножения приводит к измененению спектра выход­ного сигнала. Так, например, если оба сигнала U^ и Uy гармонические, но с раз­ной частотой о»,, и Юу, то

В результате перемножения этих сигналов на выходе перемножителя образу­ются два сигнала, один из которых имеет суммарную, а другой — разностную частоту

Обратите внимание на лекцию "Власть как основа лидерства".

Амплитуды выходных сигналов одинаковы и равны K„UmxU^y/l. В то же вре­мя на выходе перемножителя отсутствуют сигналы с частотами перемножаемых сигналов Такое преобразование двух сигналов является операцией балансной модуляции

Если же на оба входа перемножителя подать один и тот же сигнал U^=Uy^:=UmCos(йt, то выходное напряжение перемножителя будет содержать по­стоянную составляющую и сигнал удвоенной частоты

Если отфильтровать постоянную составляющую, то получается схема удвои­теля частоты.

Кроме этих применений, перемножители можно использовать для вычисления активной и реактивной мощности, определения фазового сдвига двух напряже­ний, деления частоты сигналов и во многих других случаях. Некоторые из этих применений будут рассмотрены в последующих лекциях.