Рябов В.Т. - Функции, структура и элементная база систем автоматического управления (1041593), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

ется (см. знак «-»), такой усилитель получил

название инвертирующего. Резистор R3 ком-

п енсирует входной ток по прямому и инверсному входам. Его сопротивление принимают равным сопротивлению параллельно включенных R1 и R3. У современных ОУ, особенно вы-полненных на МОП транзисторах входные токи очень малы и компенсирующий резистор R3 не применяют.

Инвертирующий усилитель широко используется для усиления аналоговых сигналов. Если усиление на нем не превышает 50…100, никаких проблем с не идеальностью реальных ОУ не бывает. Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно R1 и от входного сопротивления ОУ практически не зависит.

На рис.2.15, а)..е) приведены различные , широко применяемые в САУ, схемы включе-ния ОУ и расчетные формулы, описывающие связь входных и выходных сигналов. Все эти формулы выведены аналогично предыдущим, исходя из приведенных выше правил. Реко-мендуем Вам освоить эти правила и приемы расчетов схем включения ОУ. Для желающих познакомиться с применением ОУ более детально, рекомендуем прочитать [1].

Технологии производства ОУ и отличия реальных схем от идеальных. Выше бы-

ли перечислены основные требования к идеальному ОУ. Коротко повторим их: бесконечно большой коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи ; нулевой входной ток; от-сутствие смещения нуля и его температурного дрейфа; нулевое выходное сопротивление; мгновенный отклик на изменение входного напряжения.

Прежде всего, отметим, что все идеальное хорошо в меру. При нулевом выходном со-противлении достаточно на мгновение закоротить нагрузку и ОУ выйдет из строя. Мгновен-ный отклик на изменение входного напряжения на практике доставляет немало хлопот из-за возбуждения схем на высоких частотах. Пожалуй, наиболее существенными качествами, на достижение которых затрачено много усилий и которые во многом определили прогресс

54

схемотехнических решений и технологий производства ОУ являются минимальный входной ток и отсутствие смещения и температурного дрейфа нуля. Из чисто практических тре-бований добавим сюда не критичность и наибольшее использование напряжения пита-ния и минимальное внутреннее потребление. Хотелось бы, чтобы ОУ работал в широком диапазоне питающих напряжений и был способен работать как при двух, так и униполярном питающем напряжении. Чтобы входные и выходной сигналы охватывали весь диапазон пи-тающего напряжения.

Рис.2.15. Типовые схемы включения ОУ: а) неинвертирующий усилитель; б) дифференциа-тор; в) интегратор; г) сумматор; д) компаратор; е) дифференциальный усилитель.

Минимизация входных токов. Первые ОУ были сделаны на биполярных транзисто-рах. Эти транзисторы обладают заметным током базы. Все усилия разработчиков были на-правлены на его уменьшение. Появились ОУ с входными каскадами на полевых транзисто-рах. Сначала это были полевые транзисторы с затвором на p-n переходах. С развитием МОП технологий появились ОУ, полностью выполненные на полевых транзисторах. Входные токи стали наноамперными. На одном кристалле стали размещать до четырех и более каскадов ОУ, это же относится и к биполярным технологиям. МОП ОУ, как правило, не критичны к питанию, 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 милли-вольт и менее).

Минимизация смещения и температурного дрейфа. МОП транзисторы технологи-

чески воспроизводятся хуже биполярных и усилители по МОП технологии, при всех их плю-сах, вытеснить биполярные не смогли. Супербетта-транзисторы помогли биполярным ОУ сделать входные токи менее микроампера, подтянули их к rail-to-rail. В ответ появились МОП усилители с автоматической компенсацией смещения нуля и температурного дрейфа.

Идея автоматической компенсации в том, что входы усилителя на некоторое время замы-каются, коэффициент усиления делается единичным. На выходе при этом появляется напряже-ние смещения. К выходу подключается и заряжается до напряжения смещения эталонный кон-денсатор. Затем он в соответствующей полярности подключается ко входу и состояние ОУ вос-станавливается. Дрейф и смещение оказываются скомпенсированными. Такая операция регу-лярно проводится автоматически. Хорошо, но не всегда допустимо. И, с точки зрения стабиль-ности смещения и температурного дрейфа биполярные ОУ пока лучше, к тому же у них нет та-кого врага, как статическое электричество. Биполярные ОУ допускают более вольное обращение при монтаже и пайке на плату.

Рис.2.16. Схема инструмен-тального усилителя.

55

Внутреннее потребление ОУ во многом определяется требуемыми частотными свой-ствами. Для его минимизации в обоих технологиях появились так называемые программи-руемые ОУ, ток питания которых можно определить и ограничить внешними цепями исходя из требуемых свойств.

На рис.2.16 показана схема инструментального усилителя, выполняющего те же функ-ции усиления разности двух сигналов, что и схема на рис.2.15, е). Она имеет высокие входные сопротивления по входам, поэтому не искажает входные сигналы.

Прежде всего, отметим, что все преимущества схемы в полной мере могут быть реа-лизованы, если хотя бы два первых ОУ выполнены на одном кристалле. Схема настолько удачна, что выпускается сейчас многими производителями в интегральном исполнении, в этом случае она действительно проявляет свои наилучшие свойства, поскольку параметры всех компонентов согласованы должным образом. Входные сигналы U+ и U- усиливаются в первом каскаде усилителя. При этом, естественно, усиливается напряжение смещения и тем-пературный дрейф. Два резистора R2 должны быть идентичны. Для выходных напряжений первых каскадов U_В+ и U_В- , приложенных к резисторам R3 имеем:

U_{В +} − U _В− = (1 + 2 ^R_R1²)i(U₊ −U₋ ).

Сигналы смещения и температурного дрейфа обо-их усилителей вычитаются, по-этому, если они идентич-ны, компенсируют друг друга. Идентичности каналов ОУ можно добиться, выполняя их на одном кристалле. Далее сигналы U_{В +} и U_В- поступают на входы рассмотренного нами ранее дифференциального усилителя, так что вы-ходной сигнал схемы будет равен:

U_ВЫХ = (1 + 2 ^R_R1²)i ^R_R ⁴₃i(U₊ −U₋ ).

При этом также должны быть согласованы R3 и R4.

В современных интегральных инструментальных усили-

телях пользователю предоставлена возможность изменять сопротивление резистора R1, при-соединяя параллельно ему внешний резистор и увеличивая коэффициент усиления до необ-ходимой 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 поставля-ются специализированные блоки аналоговой обработки информации различных датчиков. Они выдают стандартные выходные сигналы, метрологически проверены и, часто, аттесто-ваны в Российской Федерации и за рубежом.

Все большее распространение получают и универсальные схемы обработки аналого-вой информации , носящие название FPАA (Field Programmable Analog Arrays). Это массивы операционных и инструментальных усилителей, резисторов и других цепей коррекции сиг-налов, которые могут программно коммутироваться и настраиваться в процессе работы. Коммутация осуществляется полевыми транзисторами с плавающими затворами (см. уст-ройство репрограммируемых постоянных запоминающих устройств в следующем разделе).

Контрольные вопросы.

Операционный усилитель: идеальные и реальные параметры.

Технологии производства и параметры ОУ.

Правила расчета ОУ на примере неинвертирующего усилителя.

Операционный усилитель: дифференциаторы и интеграторы. компараторы.

Инструментальный усилитель. Вывод формулы коэффициента усиления.

56

2.3. Технологии и типовые элементы для обработки дис-кретной информации. Комбинационные логические схемы

Элементы для обработки дискретной информации делятся на две большие группы: комбинационные логические схемы (КЛС) и последовательностные схемы. У КЛС выходной сигнал определяется входом, у последовательностных схем – выход определен входом и со-стоянием схемы. Входов и выходов может быть несколько, говоря обобщенно вход или вы-ход, мы подразумеваем некоторый вектор X или Y. КЛС – это группа логических вентилей, в основе которых основные логические операции НЕ, И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и их соче-тания. Последовательностная схема образуется введением в КЛС обратных связей, так что КЛС является и основой их построения. Здесь мы изучим основы построения КЛС, необхо-димые нам для их грамотного использования.

Интегральная схемотехника лишь тогда смогла добиться потрясающих результатов, когда смогла освободиться от инерции схемотехнических решений для дискретных компо-нентов. Впервые схемотехники поверили в нее, когда появилась транзисторно-транзисторная логика ТТЛ и соответствующая ей технология их производства - ТТЛ технология.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) и ТТЛ с диодами Шоттки. Основу ТТЛ составляет многоэмиттерный транзистор (рис.2.17) – элемент, не слишком нужный в качестве отдельного дискретного компонента. Если на обоих входах Х1 и Х2 высокий уро-вень, ток, протекающий через резистор R1 и базово-эмиттерный переход транзистора VT1 попадает в базу транзистора VT2 (рис.2.17, а).

На рис. 2.17, б) и 2.17, в) показан диодный эквивалент многоэмиттерного транзистора VT1. Если на входах Х1 и Х2 высокий уровень, транзистор VT2 оказывается открыт и входит в состояние насыщения, так как на его базу поступает ток I_б2. На коллекторе формируется низкий уровень ( менее 0.6В, уровень нуля), т.к. все напряжение при протекании коллектор-ного тока падает на резисторе R2. Как только на одном из входов Х появляется низкий уро-вень ( рис. 2.17, б), ток начинает протекать через соответствующий эмиттерный переход (ти-повое значение тока – 0.25мА). Ток базы транзистора VT2 пропадает и транзистор закрыва-ется. За счет этого напряжение на коллекторе возрастает практически до напряжения пита-ния (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 способен принять достаточно большой ток (10 мА и более), а вот в единице выходящий ток создает за-метное падение напря-

Характеристики

Список файлов книги