книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

K “( j f ) = K0/(l +j f / f c),

де / с - частота среза, на которой 1C уменьшается в V2 раз или на -3дБ. акой вид характеристики сложного многокаскадного усилителя получают помощью преимущественно внутренней коррекции.

Соответствующую АЧХ (рис.5.5,в) аппроксимируют двумя отрезками:

В качестве одного из основных параметров ОУ, наряду с частотами феза yè и единичного усиления / ь пользуются площадью усиления

Ay= K °fCJ которая при принятой аппроксимации АЧХ с учетом /, = К 0f c

удовлетворяет соотношению Ayj f x- 1.

Параметры, характеризующие классификационные признаки ОУ при­ нято делить на несколько групп:

1)точностные, включающие коэффициент усиления дифференци­ ального и синфазного сигналов, напряжение смещения нуля проходной ха­ рактеристики, коэффициент ослабления поданного на оба входа синфазно­ го сигнала, входные токи каждого зажима, разностный входной ток;

2)динамические, включающие частоту единичного усиления, время установления и скорость нарастания сигнала;

3)эксплуатационные, к которым относятся номиналы напряжений электропитания, ток потребления, температурный диапазон.

Всоответствии со значениями основных параметров выпускаемые ОУ можно разделить на несколько видов.

У н и в е р с а л ь н ы е у с и л и т е.л и о б щ е г о н а з н а ч е н и я составляют большую часть номенклатуры ОУ. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощно­ сти, с типичными параметрами Ки= 103 ...105 ; f x= 0,1...10 МГц и напря­ жением смещения нулевого уровня UQM= 0,1... 10 мВ.

П р е ц и з и о н н ы е у с и л и т е л и характеризуются суммарной погрешностью не более долей процента и при среднем быстродействии имеют высокий коэффициент усиления напряжения, малое напряжение смещения нуля, большой коэффициент подавления синфазного сигнала, малый входной ток и низкий уровень шума.

Б ы с т р о д е й с т в у ю щ и е у с и л и т е л и имеют высокую час­ тоту единичного усиления/,= 50... 1000 МГц и обеспечивают скорость на­ растания выходного сигнала vu~ 10... 1000 В/мкс при средних точностных параметрах.

М и к р о м о щ н ы е у с и л и т е л и потребляют достаточно малый ток /п порядка 1мкА при небольших уровнях напряжения электропитания У„=±0,9...±5В. Значения всех других параметров (в частности, характери­ зующих быстродействие) у них обычно небольшие. Эти усилители исполь­

зуются в приборах с автономным электропитанием от гальванических или аккумуляторных батарей.

М о щ н ы е и в ы с о к о в о л ь т н ы е у с и л и т е л и имеют раз ность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50

Ви выходной ток 0,1..ЛА, а некоторые модификации допускают токи до

10..Л00А и мощности свыше 100 Вт.

Структура и схемы усилителей, в том числе операционных, доста­ точно сложны, поэтому принято использовать макромодели, описывающи взаимосвязь величин на внешних зажимах (полюсах). Для каждого типа усилителя можно составить ряд формальных макромоделей различной сложности, базирующихся на паспортных данных или результатах эксш риментального исследования.

Расчет устройств с ОУ включает выбор макромодели, отвечающей условиям поставленной задачи, задание ее параметров, составление сисю мы уравнений для полученной схемы и их решение. Простая макромоде::ь ОУ в линейном режиме имеет три каскада, формирующие входные, пре: ходные и выходные характеристики (рис.5.6).

----------------------- ----- --------- -------

Рис.5.6. Макромодель операционного усилителя

В эквивалентной схеме резистор Raотображает входное сопротивле ние для дифференциального сигнала; резисторы Rc - сопротивления вх дов относительно общей точки (корпуса); резистор г, —выходное сопро тивление; цепь г С и источник тока, управляемый напряжением, (ИТУН) с коэффициентом G, моделируют частотную зависимость коэффициента пе­ редачи; источник напряжения, управляемый напряжением, (ИНУН) с ко­ эффициентом Кс, формирует общий коэффициент усиления IC= KcGr.

При машинных расчетах используют более сложные модели ОУ, учи­ тывающие нелинейности и другие характеристики (например, для учета взаимодействия с источником сигнала и нагрузкой входной и выходной каскады моделируют на компонентном уровне).

Для выявления основных принципов функционирования и при проек­ тировании устройств на базе ОУ с учетом специфики их параметров (боль шое значение К высокое /?вх, малое гвых) пользуются упрощенными моде­ лями, которые дают хорошую наглядность полученных результатов. Вводят понятие идеального операционного усилителя (ИОУ), макромоделью кото рого служит управляемый источник ИНУН с /вх=0, гВЬ1Х=0 и неизменным во всем частотном диапазоне большим значением К0

Схемы с ИОУ анализируют с помощью узловых уравнений, причем большое значение коэффициента усиления приводит к соотношению <Pi £ Ф2, которое записывают вместо уравнения для потенциала выходного узла 3. При гвых = 0 потенциал <р3 выходного зажима ИОУ не зависит от подключенных к нему внешних элементов, что приводит к разделению полной системы уравнений на подсистемы, которым можно поставить в соответствие отдельные функциональные модули. В устройствах с ОУ приведенные допущения выполняются, как правило, с достаточной для расчета точностью. Например, при значениях токов 7 -0,1 ...50мА и напря­ жений £7-0,01...10В для ОУ с RBX= 1МОм, 1С= 105 имеем /вхтах= 10мкА и (ф] “ Ф2)тах = 100 мкВ, что дает снование положить <pt -ф 2 = 0.

Проиллюстрируем применение макромоделей на примере расчета схемы преобразователя с одним ОУ (рис.5.7,о).

Рис, 5.7. Устройство (а), его эквивалентная схема (б) и функциональный блок (в)

Использование модели идеального ОУ приводит к простой эквива­ лентной схеме устройства (рис.5.7,б). Узловые уравнения схемы

(Г, + Г,)ф, - Г3ф, = , (Г2+Г4)ф2 -У 4фз = Г / 2,

дополненные соотношением для ИОУ cpi=<p2, позволяют записать соотно­ шение для выходного напряжения в виде

U3= AJFJ —к^2 >

причем коэффициенты передачи описываются выражениями *, = Yx(У2+ Г4)/[(Г, + Г3 )Y4- (Г2 + Г4 )Г3 ],

K = Y2(Yt +Г3)/[(Г, + З Д -(Гг + W L

Сопротивление нагрузки не вошло в передаточные функции, что дает возможность в рамках принятых допущений рассматривать устройство в качестве завершенного функционального блока (рис.5.7,в). Это существен­ но упрощает процедуру проектирования сложных электронных устройств в виде соединения типовых блоков, реализующих заданные функции пре­ образования сигналов.

Свойства функциональных блоков определяются их структурой и зависят от типа и параметров цепей прямой передачи сигналов, а также элементов обратной связи, передающих сигналы с выхода на вход устрой­ ства.

Усилитель является невзаимным элементом, т.е. передает сигналы преимущественно в одном направлении - с входа на выход. Свойства преобразователей, построенных на базе усилителей, существенно зависят от параметров контура (петли) о б р а т н о й с в я з и (ОС), который образует замкнутый путь распространения сигналов в структуре.

Структурная схема многокаскадного усилительного устройства со­ держит пути прямой передачи сигналов (аь а2, «з) и контуры обратной свя­ зи, охватывающие один (yj - А',) или несколько (у2- К\ - а2~ ЛУ каскадов (рис.5.8,а).

Рис. 5.8. Структура многокаскадного усилителя (а) и каскад с обратной связью (б)

Влияние обратной связи на параметры преобразователя можно вы­ явить на обобщенной схеме, содержащей усилитель, охваченный цепью обратной связи через пассивный четырехполюсник (рис.5.8,б). Выходной сигнал Y усилителя (ток i или напряжение w), характеризуемого передаточ­ ной функцией К (р\ проходит через четырехполюсник обратной связи с ко­ эффициентом передачи у(/?). Результат XGсуммируется с воздействием X (J или V) и служит входным сигналом Х\ усилителя.

Анализ статических параметров преобразователя с обратной связью (коэффициентов передачи, входного и выходного сопротивлений) выпол­ няется с помощью резистивных моделей каскада и четырехполюсника. В зависимости от характера влияния на входной сигнал усилителя выделяют виды обратной связи:

•отрицательную (ООС), уменьшающую сигнал на входеХЛ~ Х ~ Х 0;

•положительную (ПОС), повышающую сигнал на входе Х \- Х + Х{). Увеличение сигнала на входе усилителя при положительной образ­

ной связи в некоторых случаях может скомпенсировать потери в пассив­ ных элементах контура обратной связи и вызвать режим колебаний в уси­ лителе. На этом принципе работают различные типы генераторов, в кото­ рых специально организуют ПОС. Вместе с тем в устройствах может поя­ виться паразитная (не предусмотренная принципом функционирования) обратная связь, вызывающая нежелательные колебания в усилителе. По­ этому для преобразователей с ОС обязательным является исследование ус­ тойчивости режима работы.

Рис. 5.10. Эквивалентная схема усилителя с параллельной ООС по напряжении

Решение приведенных уравнений позволяет вычислить коэффици­ ент передачи преобразователя на базе усилителя с обратной связью KQQ = U2/V , но результат получается достаточно громоздким и не слит­ ком наглядным. Его можно существенно упростить, если учесть соотно­ шения rv < RQ < RBX и rB< R2 </?о, справедливые для большинства усилите­ лей. При этом можно положить /вх ~ 0, гв ~ 0 и достаточно просто записа i ь результат на основе приведенного соотношения элементарной теории об­ ратной связи K ^ z K / Q +yK) приу = г,/Яо.

Номиналы компонентов цепи ООС выбирают таким образом, чтобы они не оказывали существенного влияния на характеристики усилителя при подключении обратной связи. Это позволяет в устройстве разделить цепи усилителя и четырехполюсника ОС, что служит основанием приме­ нимости элементарной (приближенной) теории обратной связи, базирую­ щейся на обобщенной структурной схеме.

Из приведенных уравнений несложно найти входную проводимость усилителя относительно зажимов внешнего источника в виде

Goc=Gex+G0(l + K), где Свх = l/Rm и G0 = 1 /4 .

Введение параллельной ООС приводит к увеличению входной про­ водимости (снижению входного сопротивления), которое можно отразить на эквивалентной схеме подключением проводимости G = G0K парал­ лельно входу.

Статические параметры преобразователя с ООС (Kvоо А'оо Явч гвых ос) зависят от способов снятия и подключения цепи обратной связи. Последовательное подключение сигнала ОС на входе увеличивает входное сопротивление преобразователя RBXoc = Явх(1 +уА); параллельное подклю­ чение приводит к увеличению входной проводимости, т.е. снижению вход­ ного сопротивления: RBXoc = Явх/(1 +уК). Можно показать, что ООС по току нагрузки увеличивает гвых0с = гвь1Х(1 + уК), а по напряжению уменьшает выходное сопротивление гвых0с = гвых /(1 + уК). При использовании соот­ ношений приближенной теории обратной связи для различных ее видов следует правильно выбрать тип модели усилителя и коэффициента переда­ чи (усиления напряжения или тока, преобразования сопротивления).

Глава 5. Усилители - базовые элементы устройств

Динамические характеристики преобразователя с ОС анализируют преимущественно в частотной области. С использованием приближенной теории обратной связи выражение комплексного коэффициента преобра­

Рассмотрим влияние ООС на АЧХ неинвертирующего преобразова­ теля с последовательной обратной связью по напряжению (рис.5.11,а).

Рис. 5.11. Неинвертирующий усилитель (а) иего АЧХ (б)

Коэффициент передачи резистивной цепи обратной связи y = Rl/(Rl + R2)

не зависит от частоты. Типичная частотная характеристика ОУ имеет вид

KU<Ù) =K°/[1 + Дсо/шс)].

Подстановка выражений и несложные преобразования приводят к соотношению для комплексного коэффициента передачи преобразователя с обратной связью

*oc(yo>) = *Sc/[

где = К°/(1 +уК0) - коэффициент передачи преобразователя в низко­ частотном диапазоне, т. е. при со—►О; соэ = сос(1 + уК0) - эквивалентная час­ тота среза характеристики усилителя, на которой модуль коэффициента передачи снижается на 3дБ.

Очевидно, что амплитудные характеристики для ОУ и построенного на его основе преобразователя с ООС описываются одинаковыми зависи­ мостями от частоты со (или циклической частоты / = со/2л) с отличающи­ мися параметрами К0 и fc (рис.5.10,6). Сравнение ЛАЧХ показывает, что

площадь усиления Ау = К°ыс = Л^сОз не изменилась при введении обрат­

ной связи, т.е. ООС уменьшает коэффициент усиления и одновременно расширяет частотный диапазон усилителя. Например, если резистивной обратной связью с у = 0,1 охватить ОУ с К 0 = 105 и fc = 10Гц, то получен­ ный усилитель будет иметь коэффициент усиления К= 10 в частотном диа­ пазоне до / э = / сК °/К = 105 = 105Гц. Это соотношение дает подход к на­ чальному выбору ОУ для создания усилителя с заданной АЧХ.

Наличие инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ в сочета­ нии с большим коэффициентом усиления напряжения позволяет построить

множество разнообразных функциональных узлов на его основе за счеч введения отрицательной и положительной обратных связей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие устройства относятся к полупроводниковым усилителям?

2.Что отражают основные характеристики усилителя?

3.Каковы физические основы функционирования усилителя?

4.Какие характеристики и параметры заложены в основу модели усилителя?

5.В чем суть основных этапов анализа усилительного каскада?

6.Каковы особенности каскадов на биполярных и полевых транзисторах?

7.Что подразумевается под усилителем мощности?

8.Какие свойства характеризуют операционный усилитель?

9.По каким признакам классифицируются операционные усилители?

10.На основе каких характеристик и параметров формируется макромодель опе­ рационного усилителя?

11.Для каких целей вводится модель идеального операционного усилителя?

12.Что такое отрицательная обратная связь?

13.Каковы способы подключения цепи обратной связи к входу и выходу усили­ теля?

14.Как влияет цепь обратной связи на статические и динамические характери­ стики преобразователя?

Глава 6

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

6.1. Цифровые системы и их элементы

Ц и ф р о в ы м называют устройство, которое в соответствии с за­ данным алгоритмом обрабатывает данные, т.е. последовательности чисел, представленных преимущественно в позиционной двузначной (бинарной) системе счисления, алфавит которой содержит два символа: 0 и 1. Работу цифрового преобразователя описывают логической функцией двоичных переменных.

Элементы цифрового преобразователя, служащие основой построе­ ния устройств, представляют собой простую функционально завершенную его часть. Двоичный элемент обладает двумя различающимися признака­ ми сигнала, которые кодируются цифрами 0 и 1. В качестве базовых при­ знаков двоичных сигналов используют:

•наличие и отсутствие импульсов напряжения (импульсная модуляция);

•значение фазы 0 и л: синусоидального сигнала (фазовая манипуляция);

•низкий и высокий уровни напряжения (потенциальное представление). Преимущественное распространение получили потенциальные логи­

ческие элементы (ЛЭ), которые благодаря непосредственной связи эле­ ментов без конденсаторов наиболее просто реализуются с использованием приемов интегральной технологии. Потенциальные элементы не требуют применения специальных преобразователей формы импульсов для коди­ рования выходных уровней, что снижает аппаратные затраты при по­ строении сложных цифровых устройств.

Выбор полного и минимального логического базиса (разновидностей ЛЭ для реализации любой логической функции) связан с возможностями представления и преобразования логических функций. Из множества форм описания наиболее распространены два основных вида представления ло­ гических функций:

•формульное в виде алгебраического выражения, в котором перемен­ ные подвергаются операциям инверсии (логического отрицания), сложения и умножения;

•табличное в форме совокупности значений функции при каждом на­ боре переменных.

Сиспользованием п двоичных переменных Х\, х2,..., хп можно сост вить М ~ 2пчисел (различных наборов переменных) и на их основе реалк зовать N = 2м функций вида у т= f ( x x, х2, ...,хп), которые могут принима только два значения (0 или 1). В силу совпадения областей значений функций {0;1 } и их аргументов {0;1 } логические функции многих пере­ менных можно выразить как суперпозицию функций меньшего числа пе­ ременных.

Сиспользованием двух переменных х\ и х2, принимающих значения 0 или 1, можно получить М ~ 2 2= 4 различных кода чисел. Полная сов( купность логических функций при п =2 представлена N ~ 2 4 = 16 вариан­ тами, наиболее распространенные из которых приведены в табл.6.1 .

Таблица 6.1

Алгебра логики в качестве базиса рассматривает три функции И, ИЛИ, НЕ. Сложные логические функции можно реализовать с помощью базиса, включающего функции одной и двух переменных. Для реализации сложных логических функций, как правило, используют небольшой набор логических элементов. Элементный базис формируется на основе схем, реализующих основные функции одной и двух переменных (табл.6.2 ).

Элемент буфер реализует операцию повторения у = х9не изменяю­ щую логическое состояние входного сигнала, и применяется для форми­ рования логических уровней и повышения нагрузочной способности. Ин­ вертор выполняет операцию отрицания у = х логического сигнала и по­ зволяет получить его дополнение (инверсию). Вентиль ИЛИ обеспечивает высокий уровень сигнала на выходе, если хотя бы на одном из его входов присутствует высокий уровень напряжения. Вентиль И имеет высокий уровень сигнала на выходе только при наличии высокого уровня напряже­ ния на всех его входах. Вентили И - НЕ, ИЛИ - НЕ совмещают инверти­ рование с операциями И, ИЛИ. Элемент «Исключающее ИЛИ» (сумма по модулю два) имеет низкий уровень сигнала на выходе при одинаковом ло­ гическом состоянии входов (его таблица истинности соответствует сум­ мированию двух одноразрядных двоичных чисел).