Импульсные устройства на операционных усилителях

ПРЕДИСЛОВИЕ 621.37(076) И 546 УДК: 621.374: 681.3.066Д (07 5,8) Авторы: Г.А. Двнилович, Г.В. Мвркус, Л.Н. Попов, В.Т. Фролкин Импульсные устройстве нз операционных усилителях: Учебное пособие / Г.А. Двиилович, Г.В. Мвркус, Л,Н. Попов, В.Т. Фрол- кин; Под редвкцией Г.В. Маркусе. — М.: Изд-во МАИ, 1969.— 48 с.: ил. Содержвние учебного пособия соответствует рэзделам курсов "цифровые и импульсные устройства" и "Конструирование технических средств САПР . Посооие предивзивчено для студентов специвльиостей 'Рвдиотехникв", Рэдиоэлектронные устройства" и "Конструирование и производство электронно-вычислительной вппврвтуры".

Рецензенты: А.С. Афромеев, Л.В. Шитов С Московский $ ЯВЧ 5 УОЗ5ю01 00 з авиационный институт, 1989 О В настояшем учебном пособии рвссмотрены вопросы тео- рии построения и практики использования интегральных опера- ционных усилителей (ОУ), серийно выпускаемых цромышлен- ностью, в устройствах импульсной техники. В первой части пособия (гл. 1-4) читатели знакомятся с обшими принципами современной аналоговой схемотехники,свя- занными с согласоввнием параметров интегральных полупровод- никовых приборов и использоввнием операционного усилителя в качестве основного активного компонента импульсных уст- ройств. При этом в качестве главной функции, выполняемой ОУ, рассматривается функция автоматического регулятора, Приво- дятся характеристики, основные схемы включения, типовая струхтура ОУ, рассматриваются схемотехнические принципы по- строения источников тока и интеграторов. Сведения, изложен- ные в первой части пособия, предназначены для формироввния у студентов теоретического безиса, необходимого для изучения последуюших глав, посвяшенных конкретным импульсным уст- ройством.

В гл. 5 рассматриваются схемотехнические приемы пост- роения и методы расчета генераторов линейно изменяюшегося напряжения компенсеционного типа. Изложение материала осно- вано на использовании сведений по интеграторам, приведенных в гл. 3, Это позволяет уцростять получение основных резуль- татов, Гл„6 пособия посвяшена использовению ОУ в кечестве компаратора и в устройствах сравнения напряжений регенера тинного типа с гистерезисной характеристикой при различных способах подачи входных и опорных напряжений, так называе- мых инвертируюшего, неинвеитируюшего и прецизионного триг- геров Шмитта. Приводятся расчеты пороговых напряжений пере- ключения, ширины петли гнстерезиса н влияния напряжения смешения на форму передаточной характеристик в н гл, 7 анализируется работа схем мультивибраторов, построенных на основе триггеров Шмитта в режим , в ежиме самовозбуждения н в ждущем режиме.

Приводятся расчеты ллительностн периода колебаний автоколебательных мультив б н раторов с инте грирующей и дифференцируюшей времязадающими цепоч почками, периода колебания таймера н длительностей временно устойчивого состояния соответствующих схем в ждущем режиме, расче ты времени восстановления ждущих схем н скважности генерируемых гвслульсов. Изложенный материал соответствует определенным разделам рабочих программ курсов "цифровые и импульсные устрой ства" и "Конструирование технических средств САПР", изучав мых студентами дневной и вечерней форм ооучения радиотехнических специальностей. Авто ы выражают благодарность А,А. Егоровой за помощь в подгото ке рукописи к печати, "' 7"' ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 'с ~ - длительность импульса; - период повторения импульсов; - скважность импульсов; - постоянная временгц - частота повторения импульсов.

б Я- — предельная частота транзистора; б~,ф - коэффициенты усиления транзисторов по току в схемах с обшей базой и общим эмиттером.„ бс'г — напряжение на неиивертирующем входе ОУ б - напряжение на инвертируюшем входе ОУ; бУу - дифференциальное входное напряжение ОУ; Е~.айэ- входное синфазное напряжение ОУ; ЙДых-" хб' пРиРашение выходного напРЯжениЯ ОУ; ус' - коэффициент усиления ОУ при разомкнутой ОС; / - коэб)фипиент усиления в цепи ОС. *.б ак.ж б ,, г, Гу - напряжения верхнего и нижнего уровней ограничения ОУ; сl; - пороговое напряжение; 2у - амплитуда импульса; х,,х,;г - токи коллектора, базы, эмиттера транзистора соответственно; 4 пряжения ОУ.

Ф - максимальная скорость изменения выходного на- Глава 1. ИДЕАЛИЗИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ ОПЕРА~ИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Об Появление в начале 60-х годов первьгх монолитных (ОУ) явилось крупным достижением схемотехники аналоговых.икте гральных микросхем.

К настоящему времени сменилось несколь- 1со поколений ОУ, Несмотря иа'то, что каждое новое поколение по своим характеристикам существенно превосходило предыду- щие, модель ОУ (его внешнее описание) оставалась неизмен- ной и концептуально чрезвьгщйно простой (намного проще, на- пример, чем модель транзистора, хотя и не следует забывать, что простота здесь достигается именно благодаря сложности внутренней струхтуры ОУ), В пршщипе, разработчику аппара- турь.', использующему ОУ, нет необходимости знать что-либо о его внутреннем устройстве, поэтому на схемах ОУ изображают условно, как показано, например, на рис. 1.1.

Несмотря на то, что часто связь операционного усилителя с обшей шиной не указывается явно (рис. 1.1,а), она всегда существует, осу- ществляясь обычно через источники питающих напряжений (рис, 1.1,б). Поэтому функционально ОУ необходимо рассматб- ривать как четырехполюсник, имеющий кроме общего вывода два входа, обозначаемых символами "+" и " ", и один выход. Вход, обозначаемый символом "+", называют прямым, а вход, обозначаемый символом "-", — инверсным.

Предполагается, что ОУ обладает бесконечно большим входным и нулевым выходным сопротивлениями, что предопре- деляет режим передачи напряжения во входных и выходных сигнальньсх цепях. На практике учитывать реальные значения гб Кх и гР~мк приходится лишь при анализе точности работы устройств на ОУ, Необходимо различать два сигнала, действующие на вхо- ды ОУ. Рис. 1. 1 Йифференцивльный сигнал определяется как разность нвпряжений Я~ . и Ы, подаваемых, соответственно, на прямой и инверсный входы ОУ,,Пифференпиальный сигнал будем обозна- четь через ~у х6, полагая ,уу~= е~ — Е~ ~ р " р р"~* значение напряжений Ы+ и й! .

Синфазный сигнал будем обозначать через Юге~,, полагая 4' = О, 5 ( Ы+ + й- ) . В частном случае при .УЕ»эО, ЯСс~эо — — Ы.„= г~ Важным свойством ОУ является то, что он реагирует првктически только на дифференциальный сигнал. Влияние сияфазного сигнала пренебрежимо мало и может рвссматриваться лишь с точки зрения оценки погрешности в работе ОУ, Устройства, обладаюшие свойством реагировать только на дифференциальный входной сигнал, называются устройстввми с дифференциальным входом или, короче, дифференциальными устройствами, Таким образом, ОУ является дифференциальным. Статическая пе едаточная ха кте истика представляюшвя собой график зависимости выходного напряжения г»», от входного дифференциального ситнела с~ г», показена иа рис.1.2,а.

Рис. 1.2 Обозначенные римскими цифрвми три херактерных участка нв графике соответствуют трем режимам работы ОУ. Участки 1 н.П соответствуют режимам ограничения входного сигнела снизу (?) и сверху (1Ц, при этом 8Щ,~х не зависит от»Е~, в равно нижнему ъ'~' или верхнемуЕ/» уровням ограничения соответственно. Учвсток Ш соответствует режиму усиления. Винцу того, что статический коэффициент усиления ОУ велик (в идеале стремится к бесконечности), херектеристика на этом учвстке пректически вертикальна, Дшщое обстоятельство затрудняет использовение статической передаточной харектерис тики для определения связи между изменениями выходного и входного сигнвлов в режиме усиления.

Ско остная херактеристика описывает связь между входным сигналом,дх~ и скоростью изменения выходного напряжеиияАИдых~а~й в режиме усиления, т е, при щ „еШ ж~7~3. Для операционного усилителя эта связь описывается функциональной зависимостью ~у~~ „,Ы~ = г ('.~я~,) типичный вид которой показан на рис. 1,2,б, Скоростная хе рактеристика позволяет определить закон изменения выходного напряжения для режима усиления ОУ в явном вице л 9) =~ ь (лы)о~И Р где Ы~», Й,~- прирашение выходного напряжения относительно ЖХ начального значения А.'у ,„ ~О,). Приведенная формуле позволяет рассматривать ОУ кек нелинейный интегратор с дифференциальным входом.