К аналоговым ИС относят все виды интегральных схем, работа которых связана с обработкой непрерывных во времени сигналов. Такими ИС являются усилители электрических сигналов, фильтры, перемножители сигналов и др. Широкое распространение получили операционные усилители (ОУ). Их используют в различных функциональных устройствах, поскольку на основе ОУ удается реализовать широкий спектр линейных и нелинейных операторов преобразования входных сигналов в выходные сигналы (см. п. 1.6.1, п. 1.6.2).

Операционный усилитель – это аналоговая интегральная схема, которая имеет, как минимум, пять выводов (рис. 4.20).

Два вывода ОУ используются в качестве входных, один выход является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. В зависимости от фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выходов (вход 1) называется неинвертирующим, другой (вход 2) – инвертирующим. Выходное напряжение U вых связано с входными напряжениями U вх1 и U вх2 соотношением

U вых =К U 0 (U вх1 –U вх2 ),

где К U 0 – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению (ограничивается значениями 10 5 … 10 6).

Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба входа ОУ.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Е П, –Е П). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. Напряжение питания реальных ОУ находится в диапазоне В. Применение источника питания со средней точкой обеспечивает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

На рис. 4.21 приведены схемы функциональных преобразователей входного сигнала (напряжения) u вх в выходной сигнал u вых на основе нереверсивного (а) и реверсивного (б) ОУ.

а)

б)

Для создания сопротивлений Z 1 и Z ОС применяются резисторы (R 1 , R ОС ) и конденсаторы (C 1 , C ОС ), а также полупроводниковые приборы: выпрямительные диоды, стабилитроны, транзисторы и др. В табл. 4.5 приведены зависимости выходного напряжения u вых от входного напряжения u вх функциональных преобразователей (регуляторов) с инвертирующим ОУ (рис. 4.21б) при различных реализациях Z 1 и Z ОС .

Реализация некоторых функциональных преобразователей

на инвертирующем ОУ

Таблица 4.5

k=R ОС /R 1 , Т И =R 1 C ОС К=R ОС /R 1 , Т Д =R ОС С 1 , Т И = R 1 C ОС

Т И = R 1 C ОС

К=R ОС /R 1 Т Д =R ОС С 1

C ОС R ОС

C ОС

R ОС

Z ОС Z 1 R 1 C 1 R 1

Аналоговый компьютер - аналоговая вычислительная машина (АВМ), это компьютер непрерывного действия, обрабатывающий аналоговые данные (непрерывную информацию).

БСЭ дает такое определение аналоговой вычислительной машины.
Аналоговая вычислительная машина (АВМ), вычислительная машина, в которой каждому мгновенному значению переменной величины, участвующей в исходных соотношениях, ставится в соответствие мгновенное значение другой (машинной) величины, часто отличающейся от исходной физической природой и масштабным коэффициентом. Каждой элементарной математической операции над машинными величинами, как правило, соответствует некоторый физический закон, устанавливающий математические зависимости между физическими величинами на выходе и входе решающего элемента (например, законы Ома и Кирхгофа для электрических цепей, выражение для эффекта Холла, лоренцовой силы и т. д.).

Стоит отметить, что аналоговый компьютер бывает не только электрический, но и механический, гидравлический и даже пневматический.

Несмотря на кажущийся анахронизм, аналоговые вычисления широко используются в современной жизни. Автомобильная автоматическая трансмиссия является примером гидромеханического аналогового вычислителя, в котором при изменении вращающего момента жидкость в гидроприводе меняет давление, что позволяет получить изменение коэффициента передачи.

Аналоговая обработка электрических сигналов занимает важное место в промышленной электронике. Большинство типов первичных преобразователей физических величин являются источниками аналоговых сигналов, а многие исполнительные элементы в объектах управления управляются непрерывно изменяющимся электрическим током. Даже системы управления, основой которых являются цифровые вычислительные комплексы, не могут отказаться от аналоговой обработки сигналов и сопрягаются с объектами управления и датчиками с помощью аналоговых и аналого-цифровых устройств.

В связи с объемностью материала, который хотелось бы представить, я планирую написать цикл статей. Предлагаю на суд читателя первую часть, где будет кратко рассказана история создания операционного усилителя в том виде, как мы его знаем.

Часть первая. Краткая история создания операционного усилителя.

История использования АВМ насчитывает несколько тысячелетий. Интересующиеся могут начать свои поиски со статьи в википедии .

Но в данной статье я остановлюсь лишь на датах, непосредственно качающихся истории создания электронного операционного усилителя. И начну я с даты, которая на первый взгляд, никак не относится к теме статьи.

1614 г. Шотландский математик Джон Непер публикует «Канон о логарифмах», который начинался так: «Осознав, что в математике нет ничего более скучного и утомительного, чем умножение, деление, извлечение квадратных и кубических корней, и что названные операции являются бесполезной тратой времени и неиссякаемым источником неуловимых ошибок, я решил найти простое и надежное средство, чтобы избавиться от них» .

Позволю себе напомнить про некоторые свойства логарифмов. Из свойств логарифма следует, что вместо трудоёмкого умножения многозначных чисел достаточно найти (по таблицам) и сложить их логарифмы, а потом по тем же таблицам выполнить потенцирование, то есть найти значение результата по его логарифму. Выполнение деления отличается только тем, что логарифмы вычитаются.
В виде формул это выглядит так:

lg(xy) = lg(x) + lg(y) для умножения
lg(x/y) = lg(x) - lg(y) для деления

Непер же создал первые таблицы логарифмов тригонометрических функций.
Школьники докомпьютерной эпохи должны помнить, что такое четырехзначные таблицы Брадиса.

1622 г. Английский математик-любитель Уильям Отред создал, пожалуй, один из самых успешных аналоговый вычислительный механизм - логарифмическую линейку.

Любители мастерить руками могут собрать свой карманный аналоговый калькулятор по этим и научиться им пользоваться до декабря 2012. Вдруг пригодится...

Но всё же я пропущу историю развития не электронных аналоговых вычислительных машин и перейду непосредственно к теме нашей статьи.

1904 г. В ноябре 1904 года Джон Амброз Флеминг изобрёл выпрямитель на двухэлектродной электронной лампе, который он назвал осцилляторный вентиль. Изобретение носит также названия: лампа с термокатодом, вакуумный диод, кенотрон, термоионная лампа, вентиль Флеминга.

1947 г. В Колумбийском университете Нью-Йорка в ходе проведения исследовательских работ по совершенствованию аналоговых вычислений для военных целей возник термин операционный усилитель (ОУ). Дизайн ОУ был разработан Лоебом Джули (Loebe Julie). У этой схемы было два главных новшества. Были применены средства для уменьшения дрейфа нуля усилителя и, что более важно, это был первый дизайн операционного усилителя, который будет иметь два входа (одно инвертирование, другое неинвертирование).

1953 г. В 1946 г. После увольнения из армии Джордж А. Филбрик создал компанию имени себя George A. Philbrick Researches, Inc., (GAP/R) и стал занимался созданием операционных усилителей. Его работы сыграли важную роль в развитии ОУ.

Вскоре, в январе 1953 г , был выпущен первый коммерческий ОУ K2-W . При этом его стоимость была около $20. K2-W использовал два двойных триода 12AX7 и был упакован в стандартный восьмиштырьковый разъем. ОУ был построен на дизайне Лоеба Джули. Работая на напряжении ±300В ОУ мог работать с напряжениями на выходе и входе до ±50В и имел коэффициент усиления более 15000.
Если читателю придется создавать схемы на этом ОУ, то по ссылкам он может изучить даташит страница 1 , страница 2 . Для остальных я просто приведу рисунок 4.

Рис.4. K2-W. Фотография и электрическая принципиальная схема.

50 гг. Ламповые усилители совершенствовались. Улучшались схемотехнические решения, увеличивалось усиление, точность, уменьшалось энергопотребление. Но уже к началу 60-х годов начался закат эры теплого лампового операционного усилителя и на сцену вышел транзистор и в последствии, интегральные схемы.

Рис. 5. Макет первой ИС Килби.


Рис. 6. Илюстрация к патенту Нойса.

1961 г. Как бы то ни было, в результате, в 1961 году были произведены первые интегральные схемы операционных усилителей. Это был GAP/R P45 стоимостью около $120. Данные операционные усилители были фактически небольшими платами с краевыми разъемами. Как правило, они комплектовались из тщательно отобранных резисторов для того, чтобы улучшить характеристики ОУ, таких как напряжение смещения и дрейфа.

ОУ GAP/R P45 имел усиление 94 дБ и питался напряжением ±15V. ОУ должно было иметь дело с сигналами в диапазоне ±10V.
В последствии, эти напряжения стали своеобразным стандартом.

Рис. 7. ОУ GAP/R P45. Фотография и электрическая принципиальная схема.

1961 г. Джордж А. Филбрик создает схему варакторного мостового операционного усилителя.
В этой схеме, напряжение переменных конденсаторов (varactors) используются в входном каскаде операционного усилителя. В результате использования варакторного моста был достигнут самый низкий входной ток любого ОУ. Даже меньше чем у ламп.

Рис. 8 иллюстрирует в виде блок-схемы варакторный мостовой ОУ. Существуют четыре основных компонента, передняя часть состоит из мостовой схемы и цепи высокочастотного генератора, усилителя переменного тока для усиления напряжения ошибки моста, синхронный детектор фазы для преобразования переменного тока ошибки для соответствующего постоянного тока ошибки, и наконец, выходной усилитель, обеспечивающий дополнительное усиление постоянного тока и нагрузки устройства.

Рис. 8. Блок-схема варакторного мостового операционного усилителя.
Схема работает следующим образом: небольшая ошибка напряжения постоянного тока Vin применяется к подобранным варакторным диодам D1 и D2 и вызывает дисбаланс моста переменного тока, который подается в усилитель переменного тока. Это напряжение переменного тока будет сдвинутым по фазе в зависимости от напряжения ошибки постоянного тока. Остальные части схемы усиливают и обнаруживают ошибку постоянного тока. Филбрик выпустил операционный усилитель GAP/R P2. Выпущенный в 1966 году модифицированный ОУ GAP/R SP2A мог усиливать входной ток порядка ±10pA (10 −12).

В 1965 г. Рэй Стейти Мэттью Лорбер создают Analog Devices, Inc. (ADI) . Вскоре, Льюис Р. Смит (Lewis R. Smith) создал варакторный усилитель модели 301, а также его правопреемников, модели 310 и 311. Эти проекты смогли добиться существенного повышения точности входных токов до ±10fA (10 −15) (примерно на 3 порядка ниже GAP/R P2). Интересно, 310 и 311 модели продавались по ценам порядка $75. Эти усилители и по сей день выпускаются в ограниченном количестве

1970 г. John Cadigan, работающий в ADI, создает высокоскоростной операционный усилитель. Отличительный способностью этого ОУ было использование полевых транзисторов во входном каскаде. ОУ был выполнен как гибридная интегральная схема. Ниже я приведу схему и фотографию более совершенного ОУ HQS-050 , выпущенного в 1977 году.

Рис. 13. HSQ-050. Схема электрическая принципиальная и фотография.

Думаю, что на этом стоит остановиться. И в качестве заключения приведу схему еще одного ОУ, который позволит оценить уровень схемотехники современных операционных усилителей.

Рис 14. AD549. Схема электрическая принципиальная.

Во второй части я кратко рассмотрю внутреннюю схемотехнику операционного усилителя.
Использование операционных усилителей в качестве элементов аналоговых вычислительных устройств я представлю в третьей части.

Список использованных источников

Основным источником для данной статьи явилась книга .
http://ru.wikipedia.org/wiki/
http://www.computer-museum.ru/
http://www.computerhistory.org/

Теги: Добавить метки

Поэтому обычно приходится идти на компромисс и питать ОУ пониженным (для него) напряжением. Большинство современных ОУ работоспособно при напряжении питания более 3 В (±1,5 В), и только серия К574 - при напряжении питания более 5 В. Также, специально для применения в низковольтной (5 В) цифровой технике, выпускаются ОУ и серий LM2901…LM2904: их параметры идеальны при напряжении питания 5 В, а работоспособность сохраняется в «стандартном» диапазоне 3…30 В. Необходимую для работы ОУ и компаратора «половину напряжения питания» можно «сделать» с помощью делителя напряжения на .

Еще одна проблема - согласование по уровням. Подавать на вход аналоговых микросхем цифровой сигнал нельзя, особенно сигнал с выхода -микросхем (у них амплитуда выходного напряжения равна напряжению питания). Подробнее об этом говорилось выше, а уменьшить амплитуду сигнала с выхода цифровой можно с помощью делителя напряжения.

Сигнал на выходе аналоговой , работающей в цифровом режиме, практически всегда имеет достаточную амплитуду для нормальной работы цифровой , но попадаются в этом плане и «уроды». У некоторых аналоговых микросхем уровню лог. «0» соответствует напряжение на выходе, равное +2,1…2,5 В относительно общего провода (с которым соединен отрицательный вход питания ), а у ТТЛ-схем и некоторых напряжение переключения равно 1,4…3,0 В. То есть с помощью такой аналоговой установить уровень лог. «0» на входе упомянутой выше цифровой невозможно. А вот с установкой уровня лог. «1» на входе цифровой проблем не возникает практически никогда. Поэтому выходов два: или подать на вход «-U» только аналоговой небольшое отрицательное напряжение (-2…-3 В) относительно общего провода (рис. 2.8, о), которое можно сформировать с помощью любого генератора, к выходу которого подключен – (рис. 2.8, б); R нужен для того, чтобы при напряжении на выходе ОУ, меньшем напряжения на общем проводе, не вывести из строя цифровую микросхему (ТТЛ) или не перегрузить защитный (), его может быть от 1 кОм до 100 кОм. Второй выход - поставить между аналоговой и цифровой микросхемой (рис. 2.8, в): при этом на входе цифровой уменьшится и напряжение уровня лог. «1», что несущественно, и напряжение уровня лог. «0», что нам и надо.

Выходы компараторов обычно выполняются по схеме с открытым коллектором (рис. 2.8, г), поэтому при использовании компараторов для управления цифровыми схемами «подтягивающий» обязателен (он включается между выходом компаратора и шиной «+U»). В ТТЛ-схемах эти установлены внутри на каждом входе, в -схемах их нужно устанавливать «снаружи». «Внутри» компараторов «подтягивающих» резисторов никогда не бывает.

Падение напряжения на переходах выходного транзистора компаратора (рис. 2.8, г) не превышает 0,8…1,0 В, поэтому проблем с управлением цифровыми схемами никогда не возникает. Так как выход компаратора выполнен по схеме с открытым коллектором, то напряжение питания компаратора («+U») может быть больше или меньше напряжения питания цифровой - при этом никаких изменений в схему вносить не нужно. «Подтягивающий» в таком случае нужно включать между выходом компаратора и шиной «+U» цифровой части .

Допустим, что нам нужно создать , которое будет контролировать величину собственного напряжения питания и, как только оно станет больше или меньше нормы, включит .

Для начала попробуем создать такое на основе цифровых микросхем. Как известно, напряжение переключения цифровой весьма слабо от ее напряжения питания, поэтому для контроля напряжения питания вход логического элемента через можно непосредственно соединить с шинами питания (рис. 2.10, а). В этой схеме нижний реагирует на понижение напряжения питания (тогда на его выходе устанавливается «единица»), а верхний - на повышение - ив таком случае на выходе элемента DD1.2 устанавливается уровень лог. «1». Сигналы с выходов обоих каналов суммируются диодной схемой «2ИЛИ», и при «единице» на одном из выходов на выходе DD1.4 устанавливается уровень лог. «0», разрешающий работу генератора.

Эту схему можно упростить, если использовать многовходовые (рис. 2.10, б). В этих схемах DD1.2 (рис. 2.10, а)

Рис. 2.10. Устройства контроля напряжения: а - на инверторах; б - усовершенствованные на логических элементах; в - на аналоговых микросхемах используется одни из «входных» элементов - благодаря этому отпала надобность в сумматоре. Надеюсь, вы сами разберетесь, как работают эти .

Собрав одну из этих схем, вы заметите, что, пока напряжение питания находится в пределах нормы, потребляемый схемой ток не превышает нескольких микроампер, но при приближении к границе нормы он резко увеличивается в тысячи раз. Возникли сквозные токи. При дальнейшем изменении напряжения питания включится (если напряжение питания пульсирующее, то он вначале будет «тарахтеть» в такт с пульсациями) и через некоторое время, при еще большем изменении напряжения питания, потребляемый схемой ток начнет уменьшаться.

Если вам такие «фокусы» не нужны, поставьте в схему или ОУ. Если запускается уровнем лог. «О» - удобнее : их выходы можно соединить вместе (с ОУ так поступать нельзя!) и «обойтись» общим «подтягивающим» резистором. А вот если запускается «единицей» - удобнее ОУ: сэкономите 2 резистора, через которые в «ждущем» режиме (пока напряжение в пределах нормы) протекает ток.

В отличие от рассмотренных выше, в такой схеме понадобится источник образцового напряжения. Проще всего собрать его на резисторе и стабилитроне или на генераторе тока и резисторе (или, что лучше, стабилитроне). Вариант на резисторе со стабилитроном самый дешевый, но большинство стабилитронов начинают нормально работать только при протекающем через них токе в несколько миллиампер, а это сказывается на энергопотреблении всей . Впрочем, современные малогабаритные отечественные начинают стабилизировать напряжение при токе от 10 мкА. У на основе генераторов тока () минимальный ток стабилизации может быть любой.

Для того чтобы меньше нагружать , его выход непосредственно соединим со входами компараторов ( современных ОУ и компараторов ничтожно мал и не превышает 0,1 мкА), а подстроечные «регулирующие» включим так же, как и у рассмотренных выше схем. Получилось то, что изображено на рис. 2.10, в; к выходам этих схем можно подключить любой. Если использовать в схеме счетверенные ОУ (), можно собрать на «свободных» элементах.

А теперь, чтобы решить, какая из схем (цифровая или аналого-цифровая) лучше, сравним их характеристики:

Как видно, преимущества и недостатки есть у обеих схем, причем преимущества одной покрывают недостатки другой и наоборот. Поэтому не нужно изо всех сил стремиться собрать свое по «правильной» схеме, в которой с цифровым сигналом работает цифровая , а с аналоговым - аналоговая; иногда нестандартное включение элементов, как на рис. 2.10, а и 2.10,6, позволяет сэкономить и на деталях, и на электричестве. Но с нестандартным включением нужно быть крайне осторожным: большинство элементов в таком режиме неустойчиво, и под влиянием малейших воздействий они могут «забастовать», а то и вообще выйти из строя. Предсказать развитие событий при нестандартном включении элементов очень сложно даже для опытных радиолюбителей-практиков, поэтому определить работоспособность (или неработоспособность) той либо иной «нестандартной» можно только на макете. При этом вы заодно узнаете потребляемый схемой ток и некоторые другие, интересующие вас, характеристики, а также сможете подкорректировать номиналы отдельных элементов.

Особое место в истории электроники занимает так называемый «таймер 555», или попросту «555» (предприятие, разработавшее эту микросхему, назвало его «ΝΕ555», отсюда и пошло название). эта представляет собой простую, как и все гениальное, комбинацию аналоговых и цифровых устройств, и благодаря этому ее универсальность потрясающа. В свое время (начало 90-х годов) во многих радиолюбительских изданиях действовала рубрика типа «придумай новое применение таймера 555» - тогда только стандартных схем включения этой было предложено больше, чем страниц в этой книге.

А он (принцип действия) весьма прост: под воздействием внешнего аналогового (не цифрового!) модулирующего сигнала изменяется частота, скважность, или длительность выходного сигнала.

Бывают двух видов: линейные и импульсные. Линейные (амплитудные, частотные, фазовые и т. д.) используются только в радиовещании, поэтому рассматриваться здесь не будут. бывают широтно-импульсные (ШИМ) и фазо-импульсные (ФИМ). Друг от друга они практически ничем не отличаются, поэтому их нередко путают Делать этого нельзя - ведь если придумали для них два разных названия, значит, это кому-то было нужно. Отличаются они тем, что у ФИМ частота выходного сигнала неизменна (т. е. если длительность импульса в X раз увеличилась, то длительность паузы в X раз уменьшится), а у ШИМ - изменяется (длительность одного из полупериодов - импульса или паузы - всегда одинакова, а у другого - изменяется в такт модулирующему напряжению).

Рассматривать работу модуляторов будем по диаграммам, расположенным рядом с рисунками. Модулирующий сигнал для таймера 555 очень удобно подавать на его вход REF (этот вход у таймера 555 предназначен именно для этого; полагать «модулирующий» сигнал на вход REF других микросхем нельзя!), что обычно и делают.

Начнем с ФИМ. этот практически ничем не отличается от обычного генератора, и частота выходных импульсов ФИМ рассчитывается по формуле для генератора. Но давайте посмотрим, что будет, если на вход REF «генератора» подать внешнее напряжение.

Как видно из диаграмм, под воздействием модулирующего напряжения изменяется , или, если кто забыл суть этого термина, отношение периода импульса (лог. «1» + лог. «О») к длительности импульса (лог. «1»). А происходит это вот почему.

Когда на вход REF не подается внешнее напряжение, напряжение на нем равно 2/3 напряжения питания и равна 2, т. е. длительность импульса равна длительности паузы. В этом нетрудно убедиться с помощью теоретических расчетов: уровень лог. «О» на выходе генератора установится только после того, как напряжение на его входах R и S станет равным 1/3 U cc относительно шины «U cc », а уровень лог. «1» - после того, как напряжение на входах станет равным 2/4 U cc относительно общего провода. В обоих случаях падение напряжения на частотозадающем резисторе R1 одинаково, поэтому и длительности импульса и паузы одинаковы.

Предположим, что под воздействием внешнего сигнала напряжение на входе REF уменьшилось. Тогда уменьшится и напряжение переключения обоих компараторов таймера - допустим, до 1/4 и 2/4 соответственно. Тогда уровень лог. «1» сменится на лог. «О» на выходе таймера после того, как напряжение на частотозадающем конденсаторе увеличится от 1/4 U cc до 2/4 U cc , а уровень лог. «О» сменится уровнем лог. «1» после того, как оно уменьшится от 2/4 U cc до 1/4 U cc . Нетрудно заметить, что в первом случае падение напряжения на частотозадающем резисторе больше (при U cc = 10 В оно изменяется от 7,5 В до 5,0 В), чем во втором (2,5 В -» 5,0 В), и, если вспомнить закон Ома, протекающий через ток в первом случае будет в 2 раза больше, чем во втором, т. е. при уровне лог. «1» на выходе таймера будет заряжаться в 2 раза быстрее, чем разряжаться - при уровне лог. «0». То есть длительность импульса в 2 раза меньше длительности паузы и при дальнейшем уменьшении напряжения REF уменьшится еще сильнее.

Логично заметить, что при увеличении напряжения на входе REF начнет увеличиваться, и как только оно превысит 2/3 U cc , длительность импульса станет больше длительности паузы.

На основе такого модулятора очень удобно собирать разнообразные импульсные . Простейшая С4 быстро заряжается. Как только напряжение на нем станет приближаться к значению, выставленному резистором R7, VT3 начнет приоткрываться, напряжение на входе REF DA1 начнет уменьшаться и длительность импульсов на выходе генератора будет уменьшаться. С каждым тактом колебаний генератора в С4, через VT1 и VT2, будет «закачиваться» все меньше энергии, пока, наконец, не наступит динамическое равновесие: С4 получает ровно столько же энергии, сколько отдает в нагрузку - при этом напряжение на нем остается неизменным. Если ток нагрузки внезапно увеличится, напряжение на конденсаторе немножко уменьшится («нагрузка «садит» источник питания»), VT3 немножко закроется и длительность импульсов лог. «1» на выходе генератора будет увеличиваться, пока снова не наступит динамическое равновесие. При уменьшении тока нагрузки длительность импульсов, наоборот, будет уменьшаться.

Динамическое равновесие не нужно путать с истинным равновесием. Последнее наступает тогда, когда, например, на две чашки весов кладут гири одинаковой массы; такое равновесие весьма неустойчиво, и его очень легко нарушить, незначительно изменив массу любой гири. Аналогия истинного равновесия из мира электроники - это когда для уменьшения напряжения, для питания какой-нибудь низковольтной от высоковольтного для нее источника питания используют . Пока потребляемый схемой ток неизменен, неизменно и напряжение на ней. Но как только потребляемый ток увеличится, напряжение на схеме уменьшится - равновесие нарушилось.

Поэтому во всех современных схемах источников питания (и не только их) реализуется принцип динамического равновесия: часть (она называется «цепь ООС» - этот термин вам уже знаком) следит за сигналом на выходе устройства, сравнивает его с эталонным сигналом (в схеме на рис. 2.14 «эталонное напряжение» - напряжение отпирания транзистора VT3; оно не очень стабильно, но нам большая точность и не нужна; для увеличения точности поддержания выходного напряжения неизменным можно заменить инвертором (k ycU и 20…50) на ОУ) и, если два сигнала не равны друг другу, изменяет напряжение на выходе устройства в соответствующую сторону до тех пор, пока они не совпадут.

Так как в этой схеме в цепь ООС можно поставить только каскад (только такой , да еще дороговатый ОУ, может усилить сигнал по напряжению; a k ycU в этой схеме, для увеличения стабильности выходного напряжения, должен быть значительный), то при увеличении напряжения на движке резистора R7 напряжение на входе REF будет уменьшаться, причем независимо от структуры ( нормально работать не будет.

Поэтому мне пришлось немножко схитрить: поставить на выходе DA1 промежуточный каскад на транзисторе (VT1) и сигнал для управления силовым транзистором структуры p-n-p (VT2) снимать с этого транзистора. Правда, при этом возникла новая проблема: заряжаются емкости база-эмиттер транзисторов «со свистом», а вот разряжаются очень медленно. Из-за этого открывается резко (что и надо), а закрывается весьма плавно, при этом падение напряжения на его выводах коллектор-эмиттер тоже плавно увеличивается и выделяющаяся на нем в виде тепла мощность резко возрастает. Поэтому для ускорения процесса запирания транзисторов пришлось поставить низкоомные R4 и R6. Из-за них экономичность усилителя при большом выходном токе больше, чем без них (уменьшаются потери энергии на нагрев радиатора транзистора VT2), а при малом (менее 200 мА) - меньше: только через несколько сложней: для этого нужен дополнительный запускающих импульсов. В этом и заключается принципиальное отличие ФИМ от ШИМ.

Как работает , хорошо видно из диаграмм. Длительность запускающих импульсов у такой (как на рис. 2.12) модулятора должна быть как можно меньше, по крайней мере, к тому времени, как С1 зарядится до напряжения переключения по входу R, на входе S уже должен быть установлен уровень лог. «1», который должен продержаться на нем некоторое время (примерно 1/100 от длительности импульса) для того, чтобы С1 успел разрядиться. В противном случае возможно возникновение самовозбуждения на близкой к максимальной рабочей частоте для используемой в схеме .

Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по зако­ну непрерывной функции. Они находят применение в аппаратуре связи, телевидения и телеуправления, аналоговых вычислительных машинах, магнитофонах, измерительных приборах, системах кон­троля и т. п.

Благодаря совершенствованию технологии и методов проекти« рования номенклатура аналоговых микросхем постоянно расширяет­ся. В большом количестве выпускаются микросхемы для различных по назначению и функциональным возможностям генераторов, де­текторов, модуляторов, преобразователей, усилителей, коммутаторов, ключей, фильтров, вторичных источников питания, устройств селек­ции и сравнения, а также многофункциональные микросхемы и ми­кросхемы, представляющие собой наборы элементов.

Функциональный состав наиболее распространенных отечествен­ных серий аналоговых интегральных микросхем, находящих приме­нение как при изготовлении профессиональной аппаратуры, так и в практике радиолюбителей, представлен в табл. 2.1.

Серии существенно различаются по областям преимущественно­го применения, функциональному составу и количеству входящих в них интегральных микросхем.

Большая группа серий предназначена в основном для создания приемопередающей аппаратуры радиосвязи, выпускаются серии для телевизионной аппаратуры, магнитофонов, электрофонов и других устройств. Все эти серии условно можно подразделить на функцио­нально полные и функционально неполные. Функционально полные состоят из широкого круга специализированных микросхем, относя­щихся к разным функциональным подгруппам (табл. 2.1). Каждая из этих серий позволяет создать практически все реализуемые сейчас в микроэлектронном исполнении узлы таких устройств, как радиоприемники, телевизоры и подобные им по сложности.

Функционально неполные серии состоят из небольшого числа специализированных или универсальных микросхем. Они предназна­чены в основном для создания отдельных узлов аналоговой аппа­ратуры.

Особого внимания специалистов и радиолюбителей заслуживают серии, объединяющие наиболее универсальные по своим функцио­нальным возможностям микросхемы - операционные усилители (§ 2.8). Каждый операционный усилитель может служить основой для большого числа узлов, относящихся к различным функциональ­ным подгруппам и видам.

Таблица 2.1

Таблица 2.2 и Таблица 2.3

Таблица 2.4

Для характеристики микросхем различных серий и для сравни­тельной оценки микросхем, относящихся к одному виду, в основном используют совокупности функциональных параметров. Однако в инженерной и радиолюбительской практике важную роль играют и такие факторы, как напряжение питания, конструктивное оформ­ление, масса, предельно допустимые условия эксплуатации микросхем. Часто именно они имеют решающее значение при выборе эле­ментной базы для конкретной аппаратуры.

Данные по напряжению питания приведены в табл. 2.2, из ко­торой видно, что для питания микросхем используются различные номинальные значения напряжений положительной и отрицательной полярности. При этом допуск в большинстве случаев составляет 4-10%. Исключение составляют микросхемы серий К140, имеющие допуск ±5 %, часть микросхем серии К224 с допусками ±5, ±20 и ±25 % микросхемы серии К245 с допуском ±20 %, а также ча­стично микросхемы серий 219, К224, 235 и К237, нормально рабо­тающие при изменении напряжений в более широких пределах.

Различие по величине питающих напряжений во многих прак­тических случаях затрудняет или делает невозможным использова­ние в одном устройстве микросхем различных серий, даже если они отвечают требованиям по основным функциональным параметрам.

Разнообразно конструктивное оформление микросхем различных серий. Они различаются по форме, размерам, материалу корпусов, количеству и типу выводов, массе и т. д. Как видно из табл. 2.3, для рассматриваемых в настоящей главе микросхем используется 25 типоразмеров прямоугольных и круглых корпусов со штырько­выми или пленарными выводами. Часть микросхем (серий К129, К722 и др.) выпускается в бескорпусном оформлении с гибкими проволочными или жесткими выводами. Масса микросхем в корпу­сах колеблется от долей грамма (корпуса 401.14-2 и 401.14-3) до 17 г (корпус 157.29-1). Масса бескорпусных микросхем не превы­шает 25 мг.

По предельно допустимым условиям эксплуатации микросхемы разных серий существенно различаются.

Различие по температурному диапазону применения аналоговых микросхем показано в табл. 2.4. Очевидно, что микросхемы, харак­теризуемые нижним пределом температурного диапазона - 10 или - 30 °С, не могут быть рекомендованы для применения в переносной аппаратуре, предназначенной для работы в зимних условиях. Иног­да серьезные ограничения накладывает верхняя граница +50 или +55 °С.

По устойчивости к механическим нагрузкам микросхемы раз­личных серий близки друг к другу. Большинство микросхем выдер­живает вибрационную нагрузку в диапазоне от 1 - 5 до 600 Гц с ускорением 10 g. (Для микросхем серий К122, К123 ускорение не должно превышать 5 g, а для микросхем серий КП9 и К167 - 7,5 g.) Исключение составляют микросхемы серии К245 и часть микросхем серии К224, диапазон вибрационных нагрузок для кото­рых 1 - 80 Гц с ускорением 5 g.

Объем настоящей книги не позволяет детально рассмотреть все выпускаемые отечественной промышленностью микросхемы. Поэтому далее дана лишь краткая характеристика приведенных в табл. 2.1 серий и входящих в них микросхем с указанием основных парамет­ров, проведено сравнение микросхем по видам и более подробно проанализированы схемотехнические и функциональные особенности микросхем серий К122, К140, К224, 235, К521, которые, по мнению авторов, могут представлять наибольший интерес для широкого круга читателей. Для ряда микросхем приведены примеры типовых функ­циональных узлов.

Необходимую информацию о микросхемах других серий можно найти в каталогах, справочниках, книгах и периодической литера­туре, в первую очередь в журналах «Радио» и «Электронная про­мышленность». Пользуясь этими изданиями, следует помнить о том, что в них часто отождествляются параметры собственно интеграль­ных микросхем и параметры функциональных узлов, иногда пред­ставляющих лишь один из многих вариантов применения конкрет­ной микросхемы. При использовании ее с другими внешними эле­ментами и при иных вариантах коммутации выводов параметры узлов могут существенно отличаться от приводимых в литературе данных. Кроме того, следует заметить, что в различных источниках наблюдаются расхождения в описании отдельных микросхем при количественной оценке их параметров. Это связано с расширением номенклатуры отдельных серий и с модернизацией некоторых ми­кросхем.

Серии микросхем для аппаратуры радиосвязи и радиовещания

Основная статья Серии микросхем для аппаратуры радиосвязи и радиовещания

Серии микросхем для телевизионной аппаратуры

Основная статья Серии микросхем для телевизионной аппаратуры

Серии микросхем для магнитофонов и электрофонов

Основная статья Серии микросхем для магнитофонов и электрофонов

Серии микросхем для линейных и импульсных устройств

Основная статья Серии микросхем для линейных и импульсных устройств

Микросхемы для усилительных трактов аппаратуры радиосвязи и радиовещания

Основная статья Микросхемы для усилительных трактов аппаратуры радиосвязи и радиовещания

Микросхемы вторичных источников питания

Несомненный интерес для радиолюбителей и специалистов представляют микросхемы серий К181, К142, К278, К286, К299. Они предназначены для использования во вторичных источниках питания для стабилизации напряжения. Такие устройства позво­ляют, в частности, по-новому осуществить электропитание слож­ных устройств с нестабилизированными источниками постоянного тока за счет применения индивидуальных стабилизаторов для от­дельных блоков и каскадов.

Рис. 2.28. Микросхема К181ЕН1

Микросхема К181ЕН1 (рис. 2.28) серии К181 выполнена по схеме с последовательным включением регулирующего элемента. Основные каскады стабилизатора - составной регулирующий тран­зистор (Тв, Т7), симметричный дифференциальный усилитель (TS) Тд) и источник опорного напряжения, включающий в себя стаби­литрон Дз и эмиттерный повторитель на транзисторе Ts.

Микросхема К181ЕН1 работает при нестабильном входном на­пряжении 9 - 20 В, обеспечивая стабилизированное выходное на­пряжение 3 - 15 В. Максимальный ток нагрузки не должен пре­вышать 150 мА. Коэффициент нестабильности по напряжению 7-103.

Серия К142 состоит из семи микросхем, пять из которых пред­ставляют собой различные сочетания четырех диодов.

Рис. 2.29. Стабилизатор напряже­ния на микросхеме К142ЕН1
Рис. 2.30. Микросхема К299ЕВ1

Микросхемы К142ЕН1 и К142ЕН2 - регулируемые стабилизато­ры напряжения. Каждую микросхему выпускают в четырех модификациях. Среди них стабилизаторы с коэффициентом нестабиль­ности по напряжению 0,1; 0,3 или 0,5 %, с коэффициентом не­стабильности по току 0,2; 0,5; 1 и 2 %. Нижний предел диапазона регулировки напряжения 3 или 12 В, а верхний 12 или 30 В. Пример построения стабилизатора напряжения на микросхеме К142ЕН1 приведен на рис. 2.29.

Микросхемы серии К278 обеспечивают при выходном напря­жении 12 В и выходном токе 2,5 А коэффициент пульсации ме­нее 0,012.

Серия К299 предназначена для создания выпрямителей с ум­ножением напряжения. Выходное напряжение 2000 - 2400 В. Вы­ходной ток 200 мкА. На рис. 2.30 приведена схема выпрямительной микросхемы К299ЕВ1.

Операционные усилители

Основная статья Операционные усилители

Микросхемы компараторов

В практике радиолюбителей часто возникает необходимость в сравнении величин аналоговых сигналов с выдачей результата сравнения в виде двухуровневого логического сигнала. Решить эту задачу можно с помощью специальных микросхем - компараторов. В общем случае это специализированные ОУ с дифференциальным входным каскадом, работающим в линейном режиме, и одиночным или парафазным выходным каскадом, работающим в режиме огра­ничения.

Рис. 2.33. Микросхема К521СА2 (а) и прецизи­онный компаратор на. микросхеме К521СА1 (б)

Компаратор выполнен по сравнительно простой схеме без входов стробирования.

На входе применен дифференциальный каскад на транзисторах T6 и T7 с генератором стабильного тока на транзисторе Т9. Тер­мостабилизация режима транзистора T9 обеспечивается транзисто­ром Т10 в диодном включении.

Второй каскад тоже выполнен по дифференциальной схеме на транзисторах Т4 и 7Y Благодаря балансной схеме подачи смещения поддерживается постоянным напряжение на базе транзистора Т3 при изменении положительного напряжения питания. Стабилитрон Д2 в змиттерных цепях транзисторов Г4 и Т5 фиксирует потенциа­лы их баз на уровне 7В. Это значение определяет допустимый входной сигнал. Для повышения нагрузочной способности выхода по току применен эмиттерный повторитель на транзисторе 72.

Стабилитрон Д1 в эмиттерной цепи этого транзистора предна­значен для сдвига уровня выходного сигнала с целью обеспечения совместительности компаратора по выходу с входами цифровых ТТЛ микросхем. Транзистор Т8 обеспечивает путь для входного вы­текающего тока подключенной к компаратору ТТЛ микросхемы при логическом 0. Транзистор Т1 в диодном включении замыкает диф­ференциальный выход второго каскада, если размах выходного напряжения в положительной области превышает 4 В. Это спо­собствует повышению быстродействия компаратора.

Более совершенной является двухканальная схема построения компараторов, реализованная, в частности, в микросхеме К521СА1. На рис. 2.33,6 приведен пример использования этой микросхемы в качестве компаратора напряжения.