Оглавление

Оглавление

Глава 6. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразо­
вания. П.   Брэдшо..................................................... 314

6.1.   Введение...................................................................................................... 314

6.2.   Принципы цифро-аналогового  преобразования..................................... 317

6.3.   Основные параметры ЦАП.......................................................................... 335

6.4.   Принципы  аналого-цифрового преобразования..................................... 338

6.5.   Основные  параметры АЦП...................................................................... 361

6.6.   Другие схемы,  используемые при цифро-аналоговых и  аналого-цифровых преобразованиях    365

6.7.   Системы сбора данных................................................................................ 375

Глава 7. Логические    схемы    малой    степени    интеграции.

X. Олдридж................................................................ 380

7.1.        Введение...................................................................................................... . 380

7.2.  Типы семейств логических схем.................................................................   380

7.3.  Характеристики семейств логических микросхем....................................   384

7.4.  Определение основных параметров   ,   ,..................................................   393

7.5.  Логические элементы..................................................................................   395

7.6.        Защелки и триггеры ...................................................................................   406

7.7.        Одновибраторы      ....................................................................................   416

7.8.  Схемы специального назначения........................................................... .     420

Литература        ..........................................................................................   430

Глава 1

ОПЕРАЦИОННЫЕ  УСИЛИТЕЛИ

А. Уильяме¹)

1.1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Операционный усилитель (ОУ) является, вероятно, наиболее по­пулярным и универсальным узлом, используемым в электронной схемотехнике. Этот прибор обеспечивает решение многочислен­ных и разнообразных задач по линейной и нелинейной обработ­ке электрических сигналов.

До разработки в середине 60-х годов монолитного прибора (iA709 операционные усилители собирались на дискретных эле­ментах и были относительно дорогими. С тех пор появилось много новых поколений операционных усилителей со специаль­ными и улучшенными характеристиками.

1.1а. Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель представляет собой усилитель с непо­средственными связями при двух входных и одном выходном зажимах, обладающий большим коэффициентом усиления. Условное обозначение его показано на рис. 1.1, а, а эквивалент­ная схема представлена на рис. 1.1,6. Выходное напряжение Увых равно разности приложенных к входным зажимам напря­жений, умноженной на коэффициент усиления А₀. Изменение в положительном направлении сигнала, приложенного к положи­тельному (+) входному зажиму, вызывает положительное из­менение выходного сигнала; поэтому этот зажим (+) назы­вается неинвертирующим входом. Изменяющийся в положи­тельном направлении сигнал, приложенный к отрицательному (—) входному зажиму, вызывает изменение выходного сигнала

') Arthur В. Williams, Vice President of Engineering, Research, and Deve­lopment, Coherent Communications Systems Corp., Hauppauge, N. Y.

28                                              Глава I

шением запаса фазы происходит увеличение подъема вплоть до перехода в режим самовозбуждения. Эта зависимость между запасом фазы и подъемом характеристики показана на рис. 1.17. Метод измерения частотной характеристики для определения устойчивости не так точен, как определение запаса фазы или запаса усиления по характеристикам усиления. Однако он яв­ляется более удобным и общепринятым по меньшей мере в ка« честве первого этапа по анализу устойчивости.

1.3. СХЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

1.3а. Суммирующие усилители

Работа инвертирующего усилителя, рассмотренного в разд. 1.1, основана на эффекте кажущейся (виртуальной) земли на инвер­тирующем входном зажиме. Если расширить его входную цепь включением дополнительных входных резисторов, то получим схему, представленную на рис. 1.18.

Рис. 1.18. Суммирующий усилитель.

Теперь в направлении входного инвертирующего зажима на­правляются три тока, определяемые отношениями Vi/Ri, V2/R2 и Кз/#з- Поскольку в операционный усилитель ток не поступает, указанные токи должны проходить через резистор Rt. Так как дифференциальное входное напряжение равно нулю, то напря­жение на выходе равно

У_вых = - HRJRi) К, + (RM V₂ + (RJR₃) V₃].        (1.23)

Составной выходной сигнал равен сумме всех трех входных сиг­налов, где индивидуальные коэффициенты усиления определяют­ся отношением резистора R* к каждому суммирующему резисто­ру. Этот метод можно распространить на любое требуемое коли-чество входов.

Все входы полностью изолированы друг от друга. Поэтому легко реализуются функции по объединению нескольких сигна­лов с произвольными коэффициентами усиления. Для минимиза-

42

Глава 1

где при указанных величинах элементов обеспечивается в сба­лансированной нагрузке ток около 10 мА. Для понимания прин­ципа действия данной схемы временно проигнорируем присут­ствие резисторов /?в и /?т, в результате чего схема сведется к комплементарной паре транзисторных источников тока, подоб­ных представленным на рис. 1.36, о. Делитель напряжения на резисторах R\ — /?4 обеспечивает падения напряжений по 3 В на резисторах Rs и Rs. Узел 1 имеет потенциал земли. Ток вели­чиной 30 мА (3 В/100 Ом) вытекает из источника тока Qi, про­ходит через нагрузку Zl и возвращается в источник тока Q.2-

Резисторы R& и /?7 реагируют на падение напряжения на нагрузке. При одинаковых значениях токов обоих источников сохраняется потенциал земли в точке соединения диодов D\ и Х>2. Если вытекающий из Q\ ток превышает ток источника Qi, то -лотенциал узла 1 возрастает в положительном направлении, уменьшая ток источника Q\ и увеличивая ток источника Qz до установки их равенства. И наоборот, при большем токе от Qz потенциал узла 1 изменяется в отрицательном направлении, в результате чего снова токи обоих источников станут равными.

1.4. РАСШИРЕНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ

В то время как операционный усилитель большей частью явля­ется универсальным прибором, часто требуется расширить воз­можности его работы. В дан­ном разделе рассматриваются некоторые широко используе­мые методы увеличения спо­собностей операционного уси­лителя.

1.4а. Увеличение нагрузочной способности

Операционные усилители мо­гут отдавать в нагрузку ограни­ченную мощность. Например, ОУ типа |гА741 в резнстивной нагрузке обеспечивает не бо­лее нескольких милливатт. В представленной на рис. 1.41 схеме инвертирующего усили­теля обеспечивается умеренное увеличение нагрузочной спо­собности, Данная схема имев!

46

Глава 1

Иллюстрация этого метода относительно некоторых рассмо­тренных выше схем приведена на рис. 1.45. Указанные на рис. 1.44 варианты схем используются для создания опорного напряжения, и все ИС питаются от однополярного источника.

1.5. ВЫБОР ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Успех или неудача конкретной разработки часто определяется параметрами используемого операционного усилителя. Недоста­точный коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи, низкое входное сопротивление, малая скорость нараста­ния выходного напряжения или деградация других многочислен­ных параметров могут серьезно повлиять на характеристики схемы.

Для выбора соответствующего заданному применению при­бора разработчик должен прежде всего выделить те параметры ОУ, которые наиболее непосредственно влияют на работу схемы, и по ним далее выбрать приемлемый операционный усилитель,

1.5а. Механические данные

Операционные усилители выпускаются в различных видах стан­дартных корпусов и типах выводов. Выбор конкретного корпуса зависит от механических и температурных требований и от дру­гих условий окружающей среды. Для аппаратуры военного на­значения (работа в диапазоне температур от —55 до +125 "С)¹ не годятся пластмассовые корпуса. В коммерческой аппаратуре самым распространенным является, пожалуй, пластмассовый вариант с восемью выводами.

Указанные в данном разделе корпуса являются типовыми для частных изготовителей. Хотя приборы одного типа корпусов обычно взаимозаменяемы, разработчику необходимо для получе­ния более подробной информации обращаться к справочным данным конкретного изготовителя.

Керамический двухрядный корпус. Эти двухрядные корпуса '(DIP) состоят из керамической основы, рамки на 8, 14 или 16 выводов н керамической крышки. Схемный кристалл сплавляет­ся с основой, к кристаллу присоединяется рамка выводов и крышка герметически спаивается с основой с использованием стекла.

Типовые конструкции корпусов показаны на рис. 1.46. Эти корпуса предназначены для установки в монтажные отверстия с шагом 7,5 мм между рядами. Перед установкой в отверстия выводы дожны быть сформованы^ Создаваемое отформованным»

58

Глава 1

1.5г. Специализированные операционные усилители

Во многих случаях приборы общего назначения не могут удовле­творить важные требования, предъявляемые к конкретным схем­ным применениям. В этом случае могут потребоваться опера­ционные усилители, специально спроектированные для оптими­зации какого-либо отдельного параметра. Электрические пара­метры более известных приборов приведены в табл. 1.8—1.10.

1.6. ВЫБОР ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ¹)

Выбор типа операционного усилителя зависит от топологии фильтра и расчетных параметров схемы. Во многих случаях операционный усилитель будет вести себя как идеальный при­бор, особенно на низких частотах, где его коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи чрезвычайно высок. Для успеха разработки инженер должен тщательно определить схем­ные требования и выбрать усилитель таким образом, чтобы не выйти за пределы расчетной частотной характеристики.

Параметры усилителя важны для района полосы пропуска­ния фильтра. При установленном минимальном затухании в по­лосе задерживания параметры усилителя имеют второстепенное значение.

1.6а. Коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи

Требования, предъявляемые к коэффициенту передачи операци­онного усилителя при разомкнутой петле обратной связи в слу­чае использования его в активном фильтре, определяются рас­четным значением усиления с замкнутой обратной связью. Влия­ние усиления без обратной связи на усиление с обратной связью можно вычислить по формуле для неинвертирующего усилителя:

А = Л/(1+ЛоР),                                    (1.49)

где Ао — коэффициент усиления при разомкнутой петле обрат­ной связи на наивысшей частоте полосы пропускания, а {$ — ко­эффициент обратной связи.

На рис. 1.50 показано влияние усиления без обратной связи на погрешность усиления с обратной связью для значений по­следнего 1, 10 и 100. С увеличением первого погрешность умень­шается, а их отношения 100 : 1 более чем достаточно для боль-

*■---------------------------------------------------------------

^J) Раздел соответствует разд. 3.6 американского издания, =? Прим. ред.

Глава 2

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ  УЗЛЫ

Дж. Силверман¹)

ВВЕДЕНИЕ

Материал этой главы посвящен широкому классу интегральных схем (ИС), объединенных общим названием «функциональные узлы». В выпускаемых фирмами-изготовителями справочных ма­териалах эти схемы обычно приводятся в разделах о микросхе­мах смешанного типа и специального назначения. Такие функ­циональные ИС были спроектированы для решения целого ряда задач, с которыми приходится сталкиваться при разработке электронных устройств. Поскольку сложность таких схем доста­точно высока, их функционирование обычно трудно описать про­стым набором уравнений. Назначение предлагаемой главы за­ключается в том, чтобы снабдить разработчика основными све­дениями по этим устройствам с точки зрения их применения и расчета. Подобная информация позволит разработчику легко выбрать наиболее пригодный в каждом конкретном случае при­бор. Поскольку изготовители ИС постоянно повышают качество своей продукции, приводится обзор и перспективной продукции, находящейся в стадии разработки.

2.1. ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНЫЕ   ПЕРЕМНОЖИТЕЛИ

Для построения разнообразных аналоговых систем требуется схема, выходной сигнал которой представляет собой произведе­ние двух входных сигналов. Выполняющий подобную операцию функциональный узел называется аналоговым перемножителем.

') Joel Silverman, Marketing Manager, Siliconix Inc., Santa Clara, Calif. {Во время работы над этой главой автор представлял фирму Exar Integrated Systems.)

3    Зак. 276

86

Глава 2

ЧМ-демодуляции, поскольку любая нелинейность приводит к по­явлению искажений в демодулированном выходном сигнале. Разд. 2.2 посвящен описанию принципов работы генераторов сигналов специальной формы, которые совместно с ИС перемно­жителей наиболее пригодны для построения систем автоматиче­ской подстройки частоты. В табл. 2.1 приведены основные пара­метры некоторых типов интегральных перемножителей. При проектировании систем на основе перемножителей наиболее важ­но подробно рассмотреть каждый конкретный вариант исполне­ния, с тем чтобы выбрать самое эффективное решение.

2.2. ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ

В системах связи, телеметрии и управлении технологическими процессами широко используются генераторы сигналов различ­ной формы. Кроме того, они незаменимы в лабораторных усло­виях при проведении испытаний и калибровке аппаратуры. Во многих случаях интегральные функциональные генераторы дают

буферный усилитель

Рис. 2.17. Структурная схема генератора сигналов различной формы.

выигрыш в стоимости аппаратуры при замене ими типовых дис­кретных узлов.

Исходный генератор сигналов представляет собой устрой­ство, которое вырабатывает стабильный, полностью определен­ный, периодический выходной сигнал, управление которым мож­но осуществлять с помощью внешних органов. На рис. 2.17 пред­ставлена структурная схема типового генератора сигналов раз­личной формы, состоящая из трех узлов: 1) автогенератора пе­риодических сигналов; 2) формирующей цепи, которая преобра­зует форму выходного сигнала генератора к требуемому виду (обычно в треугольный или синусоидальный сигнал); 3) буфер­ного усилителя, обеспечивающего требуемый уровень сигнала в нагрузке.

Общие рабочие характеристики генератора сигналов опреде­ляются параметрами каждого из этих узлов, входящих в данное устройство, Автогенератор задает   стабильность   и   линейность

Функциональные узлы

87

треугольного выходного сигнала, как это будет показано в даль­нейшем, а формирующая цепь обычно определяет искажения формы синусоидального выходного сигнала.

2.2а. Автогенераторы

Поскольку основные рабочие характеристики рассматриваемого устройства обеспечиваются автогенератором, основное внимание было уделено разработке интегрального автогенератора, кото­рый пригоден для широкого диапазона потенциально возмож­ных применений. Для обеспечения универсальности необходимо, чтобы таким автогенератором удовлетворялись следующие тре­бования:

1. Внешнее управление изменением частоты при обеспечении линейности характеристик преобразования напряжение — часто­та в широком диапазоне частот.

_ъ

    Уве/таХ

XT'

^

^VS*

.Комп. 2

Рис.   2.18.   Структурная   схема инте-     Рис. 2.19. Формы сигналов   автогеие-
грального автогенератора.                            ратора по схеме рис. 2.18.

2.         Стабильность: а) при изменении температуры окружаю­щей среды; б) при изменении параметров источников питания; в) кратковременная (от цикла к циклу).

3.         Минимальное число внешних элементов для установки тре­буемой частоты.

Структура со стабилизированным током. В настоящее время существуют две основные структуры автогенератора, которые удовлетворяют большинству из приведенных выше требований. Первая структура представляет собой так называемый автогене­ратор типа //2/, где конденсатор попеременно заряжается и раз­ряжается постоянным током /, а вторая — это мультивибратор с эмиттерной связью. Первый тип схемы изображен на рис. 2.18

Схемы фазовой автоподстройки

151

должна быть больше частоты колебаний /о- Но существует и верхний предел /i (около 2f₀), который не следует превышать для устойчивой работы схемы. Если частота на входе находится в допустимом диапазоне, то она автоматически обеспечивает са­мосинхронизацию мультивибратора в нужной рабочей точке.

Этот тип мультивибраторов целесообразно использовать в схемах, в которых требуется источник синхронизирующих им­пульсов (мультивибраторы могли бы синхронизироваться по внешнему сигналу, но были бы способны нормально работать в отсутствие сигналов от источника синхронизации). Примером, где такой источник тактовых импульсов может быть очень по­лезным, является преобразователь постоянного тока в перемен­ный.

3.3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ

Прежде чем рассматривать некоторые практические схемы фа­зовой автоподстройки, стоит проанализировать их общие эле­менты, а именно фазовые детекторы, ГУН и факторы, опреде­ляющие выбор специфической составляющей для данного при­менения. Мы уже обсудили различные типы контурных фильтров и указали, что в большинстве практических разработок обычно выбирают активные фильтры второго порядка из-за их лучших характеристик.

3.3а. Фазовые детекторы

В литературе описаны различные типы фазовых детекторов: фа­зовые детекторы с устройством выборки и хранения, фазовые детекторы типа дискриминаторов, фазовые детекторы с перемно­жением и цифровые фазовые детекторы.

Характеристики этих фазовых детекторов сильно изменяются и нет ни одного детектора, который был бы универсальным.

При выборе фазового детектора для практического примене­ния следует учитывать ряд моментов.

•    Природа входного сигнала. Косинусоидальный вход требует фазовых детекторов, которые могут не подходить для цифро­вых сигналов. Также для цифровых сигналов фазовые детек­торы, использующие входы с регулярной синхронизацией, ча­сто не подходят, если на вход поступают случайные данные.

•    Линейность выходных характеристик фазового детектора от входной фазовой ошибки.

•    Диапазон входной фазовой ошибки, в пределах которого ли­неен выходной сигнал, Чем шире этот диапазон, тем полезнее