Операционные усилители. Схемные решения на операционных усилителях

Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигнала при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители обладают большим и стабильным коэффициентом усиления напряжения, имеют дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и несимметричный выход с низким выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля. То есть под операционным усилителем понимают высококачественный универсальный усилитель.

Условные обозначения операционных усилителей приведены на рис. 3.50. Один из входов, обозначенный знаком «+» называют неинвертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Второй вход, обозначенный знаком «–», (его также обозначают знаком инверсии «o») называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. Помимо трех сигнальных контактов (двух входных и одного выходного) операционный усилитель содержит дополнительные контакты (обычно число контактов составляет 14 или 16).

Рис. 3.50. Условные обозначения операционных усилителей

Вид выполняемых операционными усилителями операций определяется внешними по отношению к нему элементами. От параметров операционного усилителя зависит только точность выполняемых операций. Рассмотрим наиболее распространенные схемы на основе операционного усилителя.

Инвертирующий усилитель. На рис. 3.52 изображена схема инвертирующего усилителя на идеальном операционном усилителе, который осуществляет усиление аналоговых сигналов с поворотом фазы на .

Рис.3.52. Инвертирующий усилительный каскад на идеальном операционном усилителе

Во входной цепи протекает переменный ток, действующее значение которого равно

,

(3.69)

т. к. идеальный операционный усилитель имеет бесконечно большое входное сопротивление.

Тогда . Следовательно, коэффициент усиления схемы равен

.

(3.70)

Отсюда следует, что определяется внешними резисторами R1 и R2. В современных операционных усилителях и достаточно велики, поэтому расчет по выражению (3.70) обеспечивает достаточную точность при практических расчетах.

Неинвертирующий усилитель. На рис. 3.53 изображена неинвертирующая схема на операционном усилителе. В этой схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а напряжение обратной связи на инвертирующий.

Величина напряжения обратной связи равна

.

(3.71)

Так как коэффициент усиления достаточно высок, можно считать, что , тогда коэффициент усиления схемы равен:

.

(3.72)

Рис. 3.53. Неинвертирующий усилительный каскад на операционном усилителе

Если , то , то схема неинвертирующего усилителя превращается в повторитель напряжения с высоким входным и низким выходным сопротивлением (рис. 3.54).

Рис. 3.54. Повторитель напряжения на операционном усилителе

Логарифмирующий усилитель получается в том случае, когда вместо резистора в цепь обратной связи включают полупроводниковый диод (рис. 3.55). При этом постоянный ток во входной цепи равен

.

(3.73)

Постоянный ток через диод равен:

.

(3.74)

Так как , то , отсюда выходное напряжение

.

(3.75)

Из выражения (3.75) следует, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного постоянного напряжения.

Рис.3.55. Логарифмирующий каскад

Интегрирующий усилитель получается в том случае, когда вместо резистора R1 в цепь обратной связи включен конденсатор С1 (рис. 3.56).

Рис.3.56. Инвертирующий интегратор

В этом случае , .

Так как , то . Отсюда

.

(3.76)

Дифференцирующий усилитель получается в том случае, когда резистор R1 и конденсатор С1 поменять местами (рис. 3.57).

При этом , .

Рис.3.57. Инвертирующий дифференциатор

Так как , то . Отсюда.

.

19. Формирователи импульсов. Назначение, схемотехнические реализации.

Электронные цепи, в которых периодические изменения напряжения и тока возникают без приложения к ним дополнительного периодического сигнала, наз автономными автоколебательными цепями, а устройства, выполненные на их основе, - автогенераторами или генераторами колебаний. Формирователи импульса имеют возможность регулирования длительности импульса. Как правило, такая регулировка оказывает положительное влияние на общее КПД ускорителя. Некоторые формирователи импульсов позволяют не только формировать импульс заданной длительности, но и осуществляют задержку импульса, что может оказаться полезным в многоступенчатых системах.

Формирователь коротких импульсов с применением линий задержки.Формирователь коротких импульсов формирует импульсы, длительность которых существенно меньше длительности исходных импульсов. Для построения схемы формирователя потребуются один элемент конъюнкции, один инвертор и линия задержки. Длительность выходного импульса формирователя определяется длительностью времени задержки линии задержки Dt_з и средним временем распространения сигнала через инвертор t_{з срЭ1}. На рис. 4.1. приведена схема формирователя, а на рис.4.2 (а) и (б) - временные диаграммы, иллюстрирующие её работу. Из рис 4.2 (а) следует, что для формирования импульса от переднего фронта (исходного импульса) необходимо подавать на линию задержки инвертированный импульс.

В случае формирования импульса от заднего фронта нужно инвертировать незадержанный (прямой) сигнал, т.е. сигнал, подаваемый на элемент “И” минуя линию задержки (рис. 4.2, б).

Использование в формирователях линий задержки не всегда оправдано экономически и из конструктивных соображений. Если не требуется формирование строго определенной длительности коротких импульсов, в формирователях в качестве линии задержки применяются логические элементы (рис. 4.3). Так как каждый логический элемент обладает свойством задерживать распространение сигнала, поэтому время задержки в такой схеме будет определяться числом используемых элементов логики n

Dt_з = t_{з срЭ1} + t_{з срЭ2} + . . . .+ t_{з срЭn} = n t_{з срЭ},

где t_{з срЭ} - среднее время задержки одного логического элемента. Считается, что инвертор имеет значительно меньшее время задержки сигнала, и в качестве элементов задержки используются логические элементы с малым быстродействием.

Формирователь импульсов на элементах логики с использованием RC цепи. RC цепи широко применяются в импульсной технике для формирования сигналов различной формы. RC -цепь - это цепь состоящая из сопротивления R и конденсатора С. Постоянная времени этой цепи определяется как t = RC. В зависимости от сочетания соединений RС цепь может выполнять функцию как укорачивающей, так и удлиняющей цепей. Формирователь импульса с удлиняющей RC цепью и его временные диаграммы приведены на рис. 4.4, а и б, соответственно.

Длительность выработанного формирователем импульса можно вычислить исходя из условия разряда конденсатора С. Действительно, пока конденсатор С разряжается до уровня порогового напряжения U_пор, напряжение U₂воспринимается элементом Э₂ как уровень логической “1” и на его выходе поддерживается “0”. С течением времени t_инапряжение на конденсаторе С становится равным U_пор и на выходе элемента Э₂ появится “1”. Если считать, что напряжение до начала разряда на конденсаторе было равно напряжению уровня “1”, т.е. U¹, то изменение напряжения U_с с течением времени можно представить как

,

отсюда имеем

.

Длительность импульса равна времени разряда конденсатора до порогового значения U_пор

.

Для ускоренного восстановления заряда конденсатора в схему может быть включен дополнительный диод D1 (рис. 4.4, а). Из-за большого обратного сопротивления диода его влияние в процесс разряда конденсатора можно не учитывать, т.е. разряд конденсатора будет осуществляться только через сопротивление R.

В тех случаях, когда требуется получить импульсы большой длительности и в схеме используется конденсатор большой емкости, последовательно с диодом включают дополнительное сопротивлени R_доб, ограничивающее ток заряда конденсатора. Величину сопротивления R выбирают исходя из следующих условий:

во-первых, величина сопротивления R не должна превышать максимально допустимого значения, при котором на этом сопротивлении за счет обратного входного тока элемента логики может создаться напряжение, сравнимое с напряжением U_пор (для элементов ТТЛ структуры максимальное значение R_мак = 2,2 кОм);

во-вторых, минимальное значение сопротивления ограничено допустимой нагрузочной способностью логического элемента Э₁ и определяется как

где U¹ - напряжение на выходе элемента Э₁ в состоянии логической “1”; n - коэффициент разветвления (нагрузочная способность) выхода логического элемента; I_вх - входной ток одного элемента.

Номинал добавочного сопротивления имеет ограничение “снизу”, и определяется из условия

,

где U_{пр D1} - прямое падение напряжения на диоде D1; I¹_доп - допустимый выходной ток элемента Э₁ в состоянии логической “1”.

Схема формирователя коротких импульсов с помощью укорачивающей (дифференцирующей) RC цепипоказана на рис. 4.5. Длительность выходного импульса формирователя может быть определена из соотношения

,

где R_вых - выходное сопротивление первого элемента формирователя.

Триггер Шмитта.Триггер Шмитта применяется для формирования входного сигнала произвольной формы в сигналы, принимающие два стандартных уровня ”0” и “1”. Варианты схем таких формирователей показаны на рис. 4.6.

На рис. 4.6, а показана схема триггера Шмитта, в которой применены два инвертора, входящие в серию логических транзисторно-транзисторных интегральных схем. Положительная обратная связь между инверторами обеспечивается за счет резистора R1, включенного в общую цепь питания элементов. Для увеличения влияния цепи обратной связи, ток через второй инвертор увеличен путем включения дополнительного резистора R2 между выходом Э2 и источником питания. Подобный формирователь на интегральных схемах серии К1533 удовлетворительно работает до частоты несколько мегагерц при подаче на вход синусоидального напряжения амплитудой 0,5 - 0,8 В.

В триггерах Шмитта положительную обратную связь можно ввести также путем включения резистора между выходом второго инвертора и входом первого (рис. 4.6, б). Входное напряжение в этом формирователе подается через дополнительный резистор R1, сопротивление которого также влияет на глубину положительной обратной связи. Увеличение сопротивления этого резистора увеличивает коэффициент положительной обратной связи и уменьшает чувствительность формирователя к входному напряжению.

На практике, в качестве формирователей импульсов, часто применяют специальные интегральные схемы формирователей (рис. 4.6, в). Обозначение функционального назначения таких интегральных схем содержит две буквы “ТЛ”. Например, в серии К155: это интегральные микросхемы (ИМС) К155ТЛ1, К155ТЛ2, К155ТЛ3.

Формирователь импульсов от механических контактов. При проектировании цифровых устройств часто возникает задача четкого формирования импульсов от механических контактов (при срабатывании реле, кнопок, переключателей и т.д.), так как непосредственная подача этих сигналов на входы цифровых устройств недопустима из-за “дребезга” контактов. Дребезг контактов - это явление многократного неконтролируемого замыкания и размыкания контактов в моменты их соприкосновения и расхождения. Это явление приводит к формированию пачки импульсов (вместо требуемого одиночного импульса или перепада напряжения), могущих вызвать многократное непредсказуемое срабатывание триггеров и счетчиков схемы цифрового устройства.

Существует множество вариантов построения цепей подавления импульсов дребезга контактов с помощью статического триггера, дифференцирующей и интегрирующей цепей, а также узла, обладающего свойствами интегрирующей цепи и триггера Шмитта. На рис. 4.7 приведены примеры схем подавления “дребезга” контактов.

Наиболее надежной и простой в схемном решении является схема подавления дребезга на статическом RC - триггере (рис. 4.7, а). Сигнал “0”, подаваемый с помощью переключателя к одному из входов этого триггера опрокидывает его. Причем при каждом срабатывании переключателя (кнопки) триггер реагирует на первое же замыкание соответствующей контактной пары и последующие замыкания уже не изменяют его состояние.

Недостатком такой схемы подавления дребезга является необходимость использования контактов на переключение, что не всегда приемлемо. В тех случаях, когда кнопка (переключатель) имеет всего одну пару контактов только на замыкание, применяются схемы, использующие постоянную времени перезаряда конденсатора.

Формирователь, показанный на рис. 4.7, б лишен этого недостатка. Он состоит из триггера Шмитта, на входе которого включена интегрирующая цепь (R2, C). При замыкании контактов кнопки SB напряжение на входе цепи R2 C падает до нуля. Возникающее в процессе переключения кратковременные импульсы, вызванные “дребезгом”, сглаживаются интегрирующей цепью. Постоянная времени интегрирующей цепи выбирается так, чтобы амплитуда пульсаций сигнала на её выходе была меньше порога чувствительности триггера Шмитта.

Рассматриваемый формирователь может работать и без сопротивления R2 (его включают в качестве токоограничивающего сопротивления через замкнутые контакты кнопки). Благодаря малому сопротивлению замкнутых механических контактов первое же их замыкание приводит к полному разряду конденсатора. Последующие же размыкания контактов, вызванные дребезгом, практически не увеличивают напряжение на конденсаторе вследствие относительно большой постоянной времени его заряда.

Формирователь импульсов на одном инверторе (рис. 4. 7, в) позволяет получить относительно большую постоянную времени перезаряда конденсатора при малой его емкости. При замыкании контактов кнопки конденсатор С быстро разряжается через R2. В отличие от рассмотренных выше формирователей, здесь на выходе вырабатывается импульс, длительность которого определяется постоянной времени RC цепи.

20. Генераторы импульсов прямоугольной формы.

Импульсными генераторами называют устройства, преобразующие энергию источников постоянного напряжения в энергию электрических импульсов. Генераторы импульсов разделяются по форме выходных импульсов, которая может быть прямоугольной, треугольной, пилообразной и т.д. Наиболее распространены генераторы импульсов прямоугольной формы. Генераторы прямоугольных импульсов формируют сигналы, по форме близкие к прямоугольным. Такие генераторы являются релаксационными. Прямоугольный импульс идеальной формы характеризуется двумя параметрами: длительностью и амплитудой. Генераторы прямоугольных импульсов, как и другие типы генераторов электрических сигналов, являются системами с положительной обратной связью. В зависимости от способа создания положительной обратной связи различают двухкаскадные генераторы с RC-цепями обратной связи и генераторы с трансформаторной обратной связью. Примерами первых являются мультивибраторы, вторых - блокинг-генераторы. Отдельной разновидностью рассматриваемых генераторов являются генераторы, выполненные на приборах с отрицательным сопротивлением. В этих устройствах обратная связь является "внутренней", определяется особенностями ВАХ использованного прибора с отрицательным сопротивлением.

Для получения импульсов прямоугольной формы широко применяются релаксационные генераторы, получившие название мультивибраторов. В схемном отношении мультивибраторы представляют собой двухкаскадный усилитель на резисторах, замкнутых петлей обратной связи. В зависимости от конкретных требований к устройству и решаемых задач мультивибратор может работать в трех основных режимах: автоколебательном, синхронизации и деления частоты следования импульсов.

Генератор прямоугольных импульсов предназначен для формирования импульсов прямоугольной формы с различной частотой. Его можно использовать для проверки различной аппаратуры.

Основными параметрами прямоугольных импульсов являются 1)параметры импульсов и их последовательностей: длительность импульса; амплитуда импульса; частота (или период) повторения импульсов (у генераторов одинарных импульсов) или пар импульсов (у генераторов парных импульсов); временной сдвиг основного импульса относительно синхроимпульса; временной сдвиг второго импульса пары относительно синхроимпульса (режим формирования парных импульсов); 2) параметры искажений основных импульсов: длительность фронта и среза импульса; выброс на вершине и в паузе; неравномерность вершины импульса.

21. Логические элементы. Классификация, основные параметры, маркировка, условные обо­значения.

Логическими элементамиинтегральных схем (ИС) называются электронные схемы, выполняющие простейшие логические операции. Логические элементы используются в цифровых схемах в качестве основных элементов и определяют параметры микросхемы.

Логические элементы представляют собой техническую модель логических выражений булевой алгебры. Ее создателем был английский математик и логик Джордж Буль, который в 1848 году разработал алгебру логики.

В алгебре логики различные логические выражения могут принимать только два значения: "истинно" или "ложно". Для обозначения истинности используется цифра 1, ложности – 0. Можно и наоборот, но в этом случае имеет место понятие обратной логики.

Современные логические элементы выполняются в виде микросхем различной степени сложности. Любую логически сложную функцию, отражающую сложное высказывание, можно реализовать, используя три типа логических элементов: И, ИЛИ, НЕ.

Элемент И

Логический элемент И выполняет операцию логического умножения (конъюнкция) над своими входными данными и имеет от 2 до 8 входов и один выход (как правило, выпускаются элементы с двумя, тремя, четырьмя и восемью входами). На рис. 1. изображены условные графические обозначения (УГО) логических элементов И с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы И обозначаются как NИ, где N - количество входов логического элемента (например, 2И, 3И, 8И и т.д.).

Рис. 1

Элемент ИЛИ

Логический элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения (дизъюнкция) над своими входными данными и, также как и логический элемент И, имеет от 2 до 8 входов и один выход. На рис. 2. изображены УГО логических элементов ИЛИ с двумя, тремя и четырьмя входами соответственно. Элементы ИЛИ обозначаются также, как и элементы И (2ИЛИ, 4ИЛИ и т.д.).

Рис. 2

Элемент НЕ (инвертор)

Логический элемент НЕ выполняет операцию логического отрицания над своими входными данными и имеет один вход и один выход. Иногда его называют инвертор, так как он инвертирует входной сигнал. На рис. 3 изображено УГО элемента НЕ.

Рис. 3

Элемент И-НЕ

Логический элемент И-НЕ выполняет операцию логического умножения над своими входными данными, а затем инвертирует (отрицает) полученный результат и выдаёт его на выход. Таким образом, можно сказать, что логический элемент И-НЕ - это элемент И с инвертором на выходе. УГО элемента 3И-НЕ приведено на рис. 4.

Рис. 4

Элемент ИЛИ-НЕ

Логический элемент ИЛИ-НЕ выполняет операцию логического сложения над своими входными данными, а затем инвертирует (отрицает) полученный результат и выдаёт его на выход. Таким образом, можно сказать, что логический элемент ИЛИ-НЕ - это элемент ИЛИ с инвертором на выходе. УГО элемента 3ИЛИ-НЕ приведено на рис. 5.

Рис. 5

Логические элементы по режиму работы подразделяются на статические и динамические.

Статические логические элементы могут работать как в статическом, так и в импульсном или динамическом режимах.

Динамические логические элементы могут работать только в импульсном режиме. Логические элементы в микроэлектронике подразделяются на комбинационные и последовательностные схемы.

Комбинационные логические схемы представляют собой схемы без запоминания переменных. Они состоят из логических либо операционных элементов и собраны из логических элементов для выполнения заданных операций над входными сигналами. Наиболее распространенными являются следующие типы комбинационных схем.

– Шифратор (кодировщик) – операционный элемент, преобразующий единичный сигнал на одном из п входов в m-разрядный выходной код. Конструктивно он может быть реализован из четырех элементов ИЛИ: одного пятивходового, двух четырехвходовых и одного двухвходового.

– Дешифратор (декодировщик) – операционный элемент, преобразующий n-разрядный входной код в сигнал только на одном из своих т выходов. Логические функции, а затем и схема дешифратора составляются по таблицам истинности.

– Мультиплексор– операционный элемент, осуществляющий адресное переключение заданного числа входных сигналов на один выход.

– Демультиплексор – операционный элемент, осуществляющий адресное подключение одного входного сигнала к одному из множества выходов.

– Компаратор– операционный элемент, производящий сравнение двух чисел x1и х2. Результат сравнения отображается единичным логическим уравнением.

– Сумматор – операционный элемент, выполняющий операцию сложения нескольких чисел.

В классификации интегральных схем эти устройства вполне логично отнесены к цифровым устройствам, потому как используются для преобразования информации.

Последовательностными логическими схемами называют схемы, состояние выходов которых зависит от последовательности смены состояний на их входах. Они могут запоминать переменные, выходные сигналы которых зависят не только от значения входных сигналов в данный момент времени, но и от последовательности значений входных сигналов в предшествующие моменты времени. Последовательностные схемы собираются из комбинационных путем введения в них обратных связей.

К последовательностным логическим схемам относятся:

– триггеры– последовательные элементы с двумя устойчивыми выходными состояниями;

– регистры– последовательный операционный элемент, предназначенный для хранения и (или) преобразования многоразрядных двоичных чисел. Регистр состоит из набора триггеров, число которых равно разрядности хранимых чисел;

– счетчики – последовательный операционный элемент, предназначенный для счета импульсов, поступающих на вход. Конструктивно счетчик состоит из цепочки триггеров, число которых определяет его разрядность.

Перечисленные устройства откосятся к времязадающим.

К последовательностным схемам относятся также и запоминающие устройства.

Основные параметры логических элементов: коэффициент объединения по входу, коэффициент разветвления по выходу, быстродействие, напряжения высокого и низкого уровней, пороговые напряжения высокого и низкого уровней, входные токи, помехоустойчивость, потребляемая мощность.

22.Схемы с открытым коллектором. С открытым эмиттером.

Поиск по сайту: