Рис. 5.16.Генератор тока на основе ИС источника опорного напряжения
Источник опорного напряжения — это устройство, вырабатывающее стабилизированное напряжение, на величину которого не влияют ни колебания сигнала блока питания, ни температурные изменения, ни нагрузка, ни старение и никакие другие факторы. Хотя источники опорного напряжения в настоящее время широко выпускаются в интегральном исполнении, в бытовой аппаратуре часто применяются простые устройства, получившие название стабилитроны.
Глава 5 Интерфейсные электронные схемы
При повышении напряжения внутри схемы падение напряжения на стабилитроне всегда остается постоянным при неизменном токе в цепи нагрузки. Стабилитрон реализуется на основе обратно смещенного полупроводникового р-n перехода. При прямом смещении диода (р-область более положительно заряжена по отношению к n-области) ток проходит через него практически беспрепятственно. На самом деле поведение прямо смещенного стабилитрона мало отличается от обычного полупроводникового диода (рис. 5.17А). При обратном смещении диода (на катоде плюс, а на аноде минус), если приложенное напряжение не превышает напряжение стабилизации Vξ, через стабилитрон течет очень маленький ток. Этот ток вызывается утечками в стабилитроне и практически не зависит от приложенного напряжения. При приближении обратного напряжения к напряжению пробоя Vξ, ток начинает быстро расти и, если он ничем не ограничен, может произойти перегрев и выход стабилитрона из строя. По этой причине в цепь стабилитронов обычно ставятся токоограничивающие компоненты, например, резисторы, терми-сторы с положительным температурным коэффициентом и источники тока. На рис. 5.17Б показана наиболее распространенная схема включения стабилитрона. В ней стабилитрон ставится параллельно нагрузке, поэтому такая схема часто называется шунтирующим стабилизатором. Поскольку ток i разделяется по двум ветвям: на нагрузку и на стабилитрон, он должен быть довольно значительным. Следует помнить, что при увеличении температуры полупроводникового перехода, напряжение стабилизации падает.
25"С
о VZ
анод
25°С
Рис. 5.17. Стабилитрон А—вольтампер-ная характеристика, Б — стабилизатор шунтирующего (параллельного) типа
E0
(Б)
Стабилитроны можно разделить на три группы: стабилизационные диоды, опорные стабилитроны и гасители переходных колебаний напряжения. Стабилизационные диоды обычно применяются в блоках питания, где требуется обеспечивать практически постоянный уровень выходного напряжения при значительных изменениях входного напряжения или импеданса нагрузки. Выпуск таких стабилитронов, рассчитанных на работу при разных напряжениях и мощностях, налажен очень хорошо, поэтому они нашли широкое распространение в современных электронных устройствах. Однако стабилизационные диоды имеют серьезный недостаток: они являются температурно зависимыми. Поэтому в случаях, когда на выходное напряжение наложены очень строгие допуски, и оно должно оставаться постоянным при изменениях входного напряжения, тока в нагрузке и температуры, используются стабилизационные диоды с температурной компенсацией, называемые опорными стабилитронами.
5 3 Схемы возбуждения
Кремниевый р-n переход обладает разными температурными характеристиками при прямом и обратном смещении На основе этого свойства реализован ряд датчиков В разделе 16 3 главы 16 описан кремниевый стабилитрон, имеющий отрицательный температурный коэффициент, равный —2 мВ/°С, при прямом смещении, а при обратном смещении температурная чувствительность того же стабилитрона меняется в пределах 2 6 мВ/°С в зависимости от тока и типа диода Поэтому, объединяя прямо и обратно смещенные переходы, можно построить устройство с очень низкой температурной чувствительностью во всем рабочем диапазоне (рис 5 18) При этом изменения напряжения на двух переходах будут равны и направлены в противоположные стороны только для одного значения тока Для любых других значений тока получить идеальную температурную компенсацию не удается Тем не менее, даже простое включение двух стабилитронов, направленных в разные стороны, позволяет значительно улучшить температурную стабильность схемы в широком диапазоне токов и температур В схемах с таким соединением стабилитронов напряжение стабилизации будет выше, чем в схемах с одним стабилитроном Кампания Motorola серийно выпускает такие стабилизаторы под маркировкой 1N821
В настоящее время стабилизаторы часто заменяют на устройства опорного напряжения с межзональными переходами Они, как правило, обладают более низким выходным импедансом, чем низковольтные стабилитроны, а их рабочие напряжения стабилизации лежат в интервале 12 10 В В целом, сейчас нет проблем с качественными стабилизаторами напряжений, поскольку их выпускают много производителей на разные рабочие напряжения
Генераторы
Генераторы — это устройства, вырабатывающие переменные электрические сигналы Любой генератор состоит из усилительного блока, нелинейного элемента и цепи положительной ОС Генераторы в отличие от усилителей являются нестабильными устройствами, чьи временные характеристики должны быть либо постоянными, либо меняться в соответствии с заранее заданной функцией Генератор второго типа иногда называется модулятором В зависимости от используемых вре-мязадающих компонентов, генераторы делятся на три группы RC-генераторы, LC-генераторы и кварцевые генераторы В RC-генераторах рабочая частота задается конденсаторами и резисторами, в LC-генераторах — емкостными и индуктивными
Глава 5. Интерфейсные электронные схемы
элементами, а в кварцевых генераторах — механическим резонансом определенных срезов пьезоэлектрических кристаллов, обычно кварцевых или керамических.
Существует большое количество схем генераторов, и, конечно же, в этом разделе будут описаны только некоторые из них: например, те, которые могут напрямую подключаться к датчикам, и несколько недорогих схем.
На основе логических схем, таких как ИЛИ-НЕ, И-НЕ и двоичные инверторы, можно реализовать различные виды мультивибраторов. Для этой же цели часто используются компараторы и ОУ, обладающие высоким коэффициентом усиления без ОС. Во всех генераторах такого типа сначала происходит заряд конденсатора, напряжение на котором сравнивается либо с постоянным, либо изменяющимся по определенному закону напряжением. Момент равенства этих напряжений детектируется компаратором. Компаратор представляет собой устройство с двумя входами, сигнал на выходе которого появляется только при равенстве входных напряжений. Компаратор по определению является нелинейным элементом, поскольку его выходное напряжение даже при небольшом рассогласовании входных сигналов всегда находится на уровне насыщения, что связано с высоким коэффициентом усиления. Сигнал на выходе компаратора, свидетельствующий о равенстве входных напряжений, запускает процесс перезарядки конденсатора, в результате которого напряжение на его пластинах становится противоположным первоначальному. В момент равенства напряжений на входах компаратора опять происходит его срабатывание, и начинается новый цикл перезарядки конденсатора. Из этого описания видно, что схема такого генератора должна, как минимум, содержать конденсатор, цепь заряда и пороговое устройство (компаратор). Разные фирмы выпускают несколько типов таких релаксационных генераторов, наиболее популярные из них реализованы на ИС 555 таймера, способного работать как в режиме одновибратора, так и мультивибратора. В литературе, например, в [3], описано много видов таких схем, здесь для иллюстрации всего вышесказанного приведем два примера генераторов прямоугольных импульсов, реализованных на основе дискретных компонентов (рис. 5.19).
Рис. 5.19. Генераторы прямоугольных импульсов: А — на двух логических инверторах, Б — на основе компаратора или ОУ
5.3. Схемы возбуждения
На рис. 5.19А показан простой генератор прямоугольных импульсов, построенный на двух логических инверторах (например, КМОП элементах), имеющих порог срабатывания, приблизительно равный половине напряжения питания. Когда напряжение на входе инвертора превышает пороговый уровень, на его выходе появляется сигнал противоположной полярности. Если входной сигнал имеет форму пилы, то каждый раз при его достижении уровня половины напряжения питания, напряжение на выходе генератора будет менять свою направленность. Временные характеристики такой схемы определяются значениями резистора R и конденсаторов С. Оба конденсатора должны быть абсолютно одинаковыми. Стабильность генератора определяется, в основном, стабильностью R и С.
На рис. 5.19Б показана схема другого популярного генератора, реализованного на ОУ или компараторе напряжений (Компаратор напряжений отличается от ОУ более высоким быстродействием и устройством выходных цепей, которые совместимы с ТТЛ и КМОП логическими элементами). В этом генераторе ОУ имеет две цепи ОС: одну отрицательную (подключенную к инвертирующему входу), другую положительную (подключенную к неинвертирующему входу). Положительная ОС через резистор R3 адает пороговый уровень напряжения, а отрицательная ОС через резистор R4определяет время заряда и разряда конденсатора С1. Частоту генератора можно найти из выражения:
где R1//R2— эквивалентное сопротивление параллельного соединения этих резисторов.
На рис. 5.20 показаны две схемы генераторов синусоидальных сигналов, реализованных на основе n-p-п транзисторов, используемых в качестве усилителей, и LC-цепочки, отвечающей за частоту колебаний. Схема Б часто применяется в измерительных преобразователях линейных перемещений, где линейный дифференциальный трансформатор напряжения (ЛДТН) является частью колебательного контура.
В состав емкостных датчиков присутствия, используемых для обнаружения людей в зоне действия антенны, входит радиочастотный генератор (рис. 5.21) (см. раздел 7.3 главы 7). Антенна представляет собой катушку, которая совместно с конденсатором С2 определяет частоту генерации. Изменение распределенной емкости окружающей среды, вызванной движением человека в рабочей зоне антенны, приводит к уменьшению частоты колебаний. Выход генератора соединен с резонатором (обычно LC-цепью), настроенным на основную частоту (около 30 МГц). Появление человека снижает частоту, а следовательно, и уменьшает амплитуду выходного напряжения резонатора. Высокочастотный сигнал выпрямляется пиковым детектором, и полученное напряжение поступает на компаратор, где сравнивается с заданным пороговым уровнем. Частота данной схемы модулируется при помощи чувствительной антенны. Если антенну заменить на индуктор, получится генератор стабильных синусоидальных сигналов.
Глава 5. Интерфейсные электронные схемы
Задающ ие устройства
В отличие от генераторов тока задающие устройства вырабатывают напряжение, не зависящее от величины выходного тока в широком интервале рабочих частот и при разных нагрузках. При подсоединении к чисто резистивной нагрузке функция задающего устройства заключается в обеспечении датчиков необходимым током. В случае реактивной нагрузки, включающей индуктивные и емкостные элементы, схемы задающих устройств значительно усложняются.
Даже когда датчик является чисто резистивным, при его подключении к другим устройствам в системе неизбежно пояатяются паразитные емкостные компоненты. Например, так происходит, если подсоединение выполняется длинными проводами или коаксиальными кабелями. Было обнаружено, что если на рабочей частоте/длина кабеля меньше 1/4 длины волны, коаксиальный кабель ведет себя как конденсатор,
5.3. Схемы возбуждения 197 j|
включенный между центральным проводником и его экранирующим покрытием. Максимальную длину кабеля можно найти из эмпирического соотношения:
где с — скорость света в изоляторе коаксиального кабеля.
Например, на частотеƒ= 100 кГц, длина кабеля L не должна превышать 0.0165(3*10У 105) = 49.5 м. Это значит, что коаксиальный кабель, длина которого меньше 49.5 метров, ведет себя как конденсатор, подключенный параллельно нагрузке (рис. 5.22А). Например, для кабеля R6-58A/U емкость этого конденсатора составляет 95 пФ/м. Величина этой емкости влияет на быстродействие и стабильность всей системы в целом. Нестабильность может возникнуть из-за сдвига фаз, вызванного выходным сопротивлением R0задающего устройства и емкостью нагрузки CL
Например, при RQ= 100 Ом и CL= 1000 пФ на частотеƒ= 1 МГц сдвиг фаз φприблизительно равен 32°. Такой сдвиг значительно снижает запас по фазе в цепи ОС, что может привести к существенному искажению выходного сигнала и создать проблемы при работе с емкостными датчиками. Неустойчивым может стать только задающее устройство, но иногда колебательный режим охватывает всю систему. Для борьбы с неустойчивостью ставят либо большой развязывающий конденсатор (порядка 10 мкФ) параллельно источнику питания, либо так называемый модулятор добротности, состоящий из последовательного соединения резистора номиналом 3...10 Ом и дискового керамического конденсатора, включенных между шиной питания ИС задающего устройства и выводом заземления.
Рис. 5.22. Управление емкостной нагрузкой: А — конденсатор нагрузки подключается ко входу задающего устройства через цепь ОС, Б — цепь развязки от емкостной нагрузки
Для повышения устойчивости задающего устройства при работе с емкостной нагрузкой иногда используют небольшой резистор, включенный, как показано на рис. 5.22Б. Небольшая емкость в цепи ОС (С), соединенная с инвертирующим входом ОУ, и 10-ти омный резистор позволяют работать с достаточно большой емкостной нагрузкой, порядка 0.5 мкФ. Однако в каждом конкретном случае номиналы резистора и конденсатора рекомендуется подбирать экспериментально.