Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

Усилители переменного напряжения

В усилителях переменного напряжения ООС по постоянному току, как правило, выполняется 100 %-й. Так, в схеме (рис. 8.28, а) коэффициент передачи по постоянному току равен единице, а по переменному:

К = 1 + R₂ /R₁.

Входное сопротивление в данном усилителе очень большое, так как здесь осуществляется компенсация входного тока:

R_вх=R₃K_y /K.

При R₂= 0 схема (рис. 8.28, а) преобразуется в повторитель напряжения с высоким входным сопротивлением (рис. 8.28, б).

В усилителях переменного напряжения целесообразно использовать только один источник питания положительной или отрицательной полярности. Однако при этом на входе ОУ необходимо включать цепь для формирования напряжения смещения, с помощью которой на выходе ОУ устанавливается напряжение, равное половине напряжения питания.

Так, в схеме (рис.8.29,а) напряжение смещения формируется делителем напряжения R₃, R₄, при этом R₃ = R₄. Коэффициент передачи для данной схемы при x_с1 << R₁ равен:

К = R₂/R₁.

Конденсатор С₂предназначен для подавления пульсаций. В схеме (рис. 8.29, б) напряжение смещения формируется делителемR₁,R₄. Для данной схемы приx_c1<<R₃и х_с2<<R₁||R₄коэффициент передачи равен:

К = 1+R₂ /(R₁||R₄).

Врассмотренных схемах используется емкостная развязка входных цепей. Очевидно, что при подключении входного сигнала разделительный конденсатор С₁будет заряжаться с постоянной времениτ=R₁C₁(рис. 8.29,a), что обусловливает большое время установления номинального режима работы ОУ.

9. Устройства сравнения аналоговых сигналов

9.1. Компараторы

Выходное напряжение усилителя ограничено величиной ±U_{вых max}. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя (К_{U оу}) велик, то значение выходного напряжения (U_вых = ±U_{вых max}) достигается при очень малых входных напряжениях:

U

Рис. 9.1. Схема компаратора

Поэтому можно считать.

То есть операционный усилитель является схемой сравнения входных сигналов – компаратором.

Компараторыпредставляют собой устройства, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Один вход компаратора (рис. 9.1) соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал. Когда U_вх подается на инвертирующий вход и U_оп > 0, выходное напряжение будет отрицательным при U_вх > U_оп, и положительным при U_вх < U_оп.

К

Рис. 9.2. График работы компаратора

Если, например, изменение выходного напряжения составляет 5 В, а коэффициент усиления компаратора равен 100 000, то разность входного и опорного напряжений (U_вх – U_оп.), вызывающая изменение выходного напряжения, будет равна:

мВ,

то есть сравнение двух уровней напряжения осуществляется с высокой точностью. Но эта схема обладает существенным недостатком: если входной сигнал изменяется медленно и его величина близка к U_оп, то шумы, содержащиеся в U_вх, могут вызвать ложные срабатывания (рис. 9.3).

Более устойчивым к действиям помех является компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС), осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторови(рис. 9.3, а ). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 9.3, б ). Схема известна под названием триггера Шмита или порогового устройства.

Переключение схемы (рис. 9.4) в состояние -U_вых.maxпроисходит при достиженииU_вхнапряжения (порога) срабатывания (U_ср), а возвращение в исходное состояние (U_вых= +U_вых.max) происходит при сниженииU_вхдо напряжения (порога) отпускания (-U_отп). Значения пороговых напряжений находят по схеме, положивU₀= 0:

;

.

Частным случаем схемы (см. рис. 9.4) при = 0 является схема (рис. 9.5). Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 9.6) составляют:

; ;.

Величина гистерезиса (зоны нечувствительности) определяется пороговыми напряжениями. Выбирая необходимые значения пороговых напряженийи, можно изменять «зону нечувствительности» компаратора в зависимости от уровня помех (рис. 9.6).

Компаратор с ПОС может использоваться в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.

9.2. Мультивибратор

Схема симметричного мультивибратора на ОУ в автоколебательном режиме, представляющего собой генератор прямоугольных импульсов (рис. 9.7, а) содержит как цепь отрицательной ОС на элементах , С, так и цепь положительной ОС, образованную делителемR₁,R₂.

В момент подключения к схеме напряжения питания на инвертирующий вход ОУ поступает напряжение , так как конденсатор С не успевает зарядиться, а на неинвертирующий вход с делителяR₁,R₂поступает напряжение

.

Так как усилитель охвачен цепью безинерционной ПОС, а напряжение на его инвертирующем входе равно нулю, на выходе ОУ равновероятно может установиться любое из его максимально возможных напряжений.

Пусть U_вых.max0, тогда иU₂0 . При этом конденсатор С (рис. 9.7, б) начнет заряжаться через резистортоком(интервал времени 0 –), стремясь зарядиться до напряжения +U_вых.max. В момент временинапряжение на конденсаторе достигнет уровня +U₂, а затем несколько превысит его (на доли милливольт), то есть напряжение на инвертирующем входе ОУ окажется больше, чем на неинвертирующем.

Выходное напряжение при этом скачком изменяет свою полярность, делаясь равным -U_вых.max, после чего начинается перезаряд конденсатора током I₂ противоположного направления. Как только конденсатор С зарядится до напряжения -U₂ (момент времени t₂) полярность выходного напряжения вновь скачком изменится, то есть станет положительной. Затем начинается перезаряд конденсатора С током I₁, и процесс повторяется.

Таким образом, схема генерирует последовательность импульсов со скважностью 2 и полным размахом выходного напряжения 2·U_вых.max. Длительность выходного импульса равна:

.

Рис. 9.5. Схема компаратора с положительной обратной связью и нулевым опорным напряжением (а) и его передаточная характеристика (б)

10. Микроэлектроника

10.1. Основные определения

Микроэлектроника– это раздел электроники, охватываю­щий исследования и разработку качественно нового типа элект­ронных приборов (интегральных микросхем) и принципов их применения.

Первые этапы развития микроэлектроники были характер­ны главным образом прогрессом в области технологии ИС. На этих этапах совершенствовались методы изоляции элементов, методы повышения степени интеграции, способы монтажа на­весных компонентов и т.п. Что касается схемотехники (т.е. конфигурации схем, подлежащих интеграции), то на первых порах она заимствовалась из арсенала дискретной транзистор­ной электроники.

Однако вскоре стало ясно, что качественно новой технологи­ческой реализации, свойственной ИС, должны соответствовать адекватные схемные решения. Далеко не все схемы, считавши­еся типичными в дискретной транзисторной электронике, ока­зались приемлемыми в микроэлектронике. И наоборот, многие схемы, которые в дискретной транзисторной электронике счи­тались «экзотическими» и не имели широкого распростране­ния, в микроэлектронике оказались приемлемыми и даже оп­тимальными. Поэтому схемотехника ИС отнюдь не совпадает с обычной транзисторной схемотехникой.

В процессе развития микроэлектроники появилось немало специфических элементов ИС, которые не имеют аналогов в транзисторной схемотехнике и не выпускаются в качестве ди­скретных полупроводниковых приборов (например, многоэмиттерный транзистор, приборы с зарядовой связью и др.). Интег­ральные схемы, в которых используются такие специфические элементы, не могут быть даже промоделированы на дискрет­ных компонентах.

Интегральная микросхема(или просто интегральная схема) - это совокупность, как правило, большого количества взаимо­связанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле, на одной и той же несущей конст­рукции (подложке) и выполняющая определенную функ­цию преобразования информации.

Термин «интегральная схема» (ИС) отражает факт объеди­нения (интеграции) отдельных деталей – компонентов – в конструктивно единый прибор, а также факт усложнения выполняемых этим прибором функций по сравнению с функция­ми отдельных компонентов.