Аналоговые интегральные схемы. Аналоговые микросхемы и типовые функциональные узлы Аналоговые схемы

Все существующие электронные схемы условно можно разделить на 2 класса: цифровые и аналоговые.

Аналоговый сигнал представляет собой непрерывно изменяющуюся во времени электрическую величину (обычно ток или напряжение), которая лежит в допустимом информативном интервале значений в любой момент времени, т. е. выходная величина и входная связаны друг с другом функциональной зависимостью 1/ вых = Л(/ ох) .

Цифровой сигнал обычно характеризуется двумя устойчивыми значениями (максимальным и минимальным), при этом пере-

ход от одного значения к другому происходит в течение короткого временного интервала .

В основе аналоговых схем лежат простейшие усилительные ступени и каскады, а основу цифровых схем составляют простейшие транзисторные ключи.

На базе усилительных каскадов строятся сложные многокаскадные усилители, стабилизаторы напряжения и тока, модуляторы и детекторы, генераторы непрерывных во времени сигналов и другие схемы.

При работе любой аналоговой схемы наблюдается отклонение (разброс) выходных сигналов С/ вых (О в некотором диапазоне, т. е. С7 ВЫХ (0 = £/(£) ± Д£/(Ц. Источником отклонения Д£/(*) может быть температурный и временной дрейф параметров элементов схемы, шумы, технологический разброс параметров и т. д. Сложность получения высокой точности воспроизведения характеристик элементов при хорошей их стабильности и минимальных шумах явилась причиной отставания развития аналоговых схем по сравнению с цифровыми ИС на первых этапах становления микроэлектроники. Однако в настоящее время это отставание ликвидировано и аналоговые микросхемы используют в качестве основной элементной базы большинства аналоговых устройств. Это позволило существенно уменьшить габаритные размеры и массу этих устройств, а также потребляемую мощность и повысить точность обработки аналоговой информации. Последнее достоинство обусловлено тем, что в ИС на одной подложке сформирована совокупность элементов с взаимосогласованными характеристиками (принцип взаимного согласования цепей) и однотипные элементы имеют одинаковые параметры и взаимную компенсацию нестабильности параметров во всех диапазонах внешних допустимых воздействий.

Аналоговые ИС можно разделить на универсальные и специализированные. К универсальным аналоговым ИС относятся матрицы согласованных резисторов, диоды и транзисторы, а также интегральные операционные усилители (ОУ).

Специализированные аналоговые микросхемы выполняют некоторую определенную функцию, как-то: перемножение аналоговых сигналов, фильтрацию, компрессию и т. д.

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) трансформируют аналоговую информацию в цифровую и наоборот. АЦП в основном преобразуют напряжение в цифровой код. Из ЦАП наибольшее распространение получили преобразователи кода в напряжение и кода в ток.

Интегральные СВЧ-микросхемы имеют функциональную, схемотехническую и конструктивно-технологическую специфику. Их развитие стимулируется потребностями радиолокации, телевидения, авиакосмической техники и т. д., требующими массового выпуска малошумящих усилителей для приемных тректов, преобразователей частоты, переключателей СВЧ-сигналов, генераторов, усилителей мощности и т. д.

Интегральным схемам по сравнению с дискретными свойственны отличительные особенности, обусловленные спецификой их технологии. К особенностям аналоговых ИС можно отнести отмеченный ранее принцип взаимного согласования цепей и принцип схемотехнической избыточности, заключающийся в преднамеренном усложнении схемы с целью улучшения ее качества, минимизации площади кристалла и повышения технологичности. В качестве примера можно привести тот факт, что в аналоговых ИС вместо конденсатора, занимающего большую площадь, используют сложные структуры с непосредственными связями.

Поэтому обычно приходится идти на компромисс и питать ОУ пониженным (для него) напряжением. Большинство современных ОУ работоспособно при напряжении питания более 3 В (±1,5 В), и только серия К574 - при напряжении питания более 5 В. Также, специально для применения в низковольтной (5 В) цифровой технике, выпускаются ОУ и серий LM2901…LM2904: их параметры идеальны при напряжении питания 5 В, а работоспособность сохраняется в «стандартном» диапазоне 3…30 В. Необходимую для работы ОУ и компаратора «половину напряжения питания» можно «сделать» с помощью делителя напряжения на .

Еще одна проблема - согласование по уровням. Подавать на вход аналоговых микросхем цифровой сигнал нельзя, особенно сигнал с выхода -микросхем (у них амплитуда выходного напряжения равна напряжению питания). Подробнее об этом говорилось выше, а уменьшить амплитуду сигнала с выхода цифровой можно с помощью делителя напряжения.

Сигнал на выходе аналоговой , работающей в цифровом режиме, практически всегда имеет достаточную амплитуду для нормальной работы цифровой , но попадаются в этом плане и «уроды». У некоторых аналоговых микросхем уровню лог. «0» соответствует напряжение на выходе, равное +2,1…2,5 В относительно общего провода (с которым соединен отрицательный вход питания ), а у ТТЛ-схем и некоторых напряжение переключения равно 1,4…3,0 В. То есть с помощью такой аналоговой установить уровень лог. «0» на входе упомянутой выше цифровой невозможно. А вот с установкой уровня лог. «1» на входе цифровой проблем не возникает практически никогда. Поэтому выходов два: или подать на вход «-U» только аналоговой небольшое отрицательное напряжение (-2…-3 В) относительно общего провода (рис. 2.8, о), которое можно сформировать с помощью любого генератора, к выходу которого подключен – (рис. 2.8, б); R нужен для того, чтобы при напряжении на выходе ОУ, меньшем напряжения на общем проводе, не вывести из строя цифровую микросхему (ТТЛ) или не перегрузить защитный (), его может быть от 1 кОм до 100 кОм. Второй выход - поставить между аналоговой и цифровой микросхемой (рис. 2.8, в): при этом на входе цифровой уменьшится и напряжение уровня лог. «1», что несущественно, и напряжение уровня лог. «0», что нам и надо.

Выходы компараторов обычно выполняются по схеме с открытым коллектором (рис. 2.8, г), поэтому при использовании компараторов для управления цифровыми схемами «подтягивающий» обязателен (он включается между выходом компаратора и шиной «+U»). В ТТЛ-схемах эти установлены внутри на каждом входе, в -схемах их нужно устанавливать «снаружи». «Внутри» компараторов «подтягивающих» резисторов никогда не бывает.

Падение напряжения на переходах выходного транзистора компаратора (рис. 2.8, г) не превышает 0,8…1,0 В, поэтому проблем с управлением цифровыми схемами никогда не возникает. Так как выход компаратора выполнен по схеме с открытым коллектором, то напряжение питания компаратора («+U») может быть больше или меньше напряжения питания цифровой - при этом никаких изменений в схему вносить не нужно. «Подтягивающий» в таком случае нужно включать между выходом компаратора и шиной «+U» цифровой части .

Допустим, что нам нужно создать , которое будет контролировать величину собственного напряжения питания и, как только оно станет больше или меньше нормы, включит .

Для начала попробуем создать такое на основе цифровых микросхем. Как известно, напряжение переключения цифровой весьма слабо от ее напряжения питания, поэтому для контроля напряжения питания вход логического элемента через можно непосредственно соединить с шинами питания (рис. 2.10, а). В этой схеме нижний реагирует на понижение напряжения питания (тогда на его выходе устанавливается «единица»), а верхний - на повышение - ив таком случае на выходе элемента DD1.2 устанавливается уровень лог. «1». Сигналы с выходов обоих каналов суммируются диодной схемой «2ИЛИ», и при «единице» на одном из выходов на выходе DD1.4 устанавливается уровень лог. «0», разрешающий работу генератора.

Эту схему можно упростить, если использовать многовходовые (рис. 2.10, б). В этих схемах DD1.2 (рис. 2.10, а)

Рис. 2.10. Устройства контроля напряжения: а - на инверторах; б - усовершенствованные на логических элементах; в - на аналоговых микросхемах используется одни из «входных» элементов - благодаря этому отпала надобность в сумматоре. Надеюсь, вы сами разберетесь, как работают эти .

Собрав одну из этих схем, вы заметите, что, пока напряжение питания находится в пределах нормы, потребляемый схемой ток не превышает нескольких микроампер, но при приближении к границе нормы он резко увеличивается в тысячи раз. Возникли сквозные токи. При дальнейшем изменении напряжения питания включится (если напряжение питания пульсирующее, то он вначале будет «тарахтеть» в такт с пульсациями) и через некоторое время, при еще большем изменении напряжения питания, потребляемый схемой ток начнет уменьшаться.

Если вам такие «фокусы» не нужны, поставьте в схему или ОУ. Если запускается уровнем лог. «О» - удобнее : их выходы можно соединить вместе (с ОУ так поступать нельзя!) и «обойтись» общим «подтягивающим» резистором. А вот если запускается «единицей» - удобнее ОУ: сэкономите 2 резистора, через которые в «ждущем» режиме (пока напряжение в пределах нормы) протекает ток.

В отличие от рассмотренных выше, в такой схеме понадобится источник образцового напряжения. Проще всего собрать его на резисторе и стабилитроне или на генераторе тока и резисторе (или, что лучше, стабилитроне). Вариант на резисторе со стабилитроном самый дешевый, но большинство стабилитронов начинают нормально работать только при протекающем через них токе в несколько миллиампер, а это сказывается на энергопотреблении всей . Впрочем, современные малогабаритные отечественные начинают стабилизировать напряжение при токе от 10 мкА. У на основе генераторов тока () минимальный ток стабилизации может быть любой.

Для того чтобы меньше нагружать , его выход непосредственно соединим со входами компараторов ( современных ОУ и компараторов ничтожно мал и не превышает 0,1 мкА), а подстроечные «регулирующие» включим так же, как и у рассмотренных выше схем. Получилось то, что изображено на рис. 2.10, в; к выходам этих схем можно подключить любой. Если использовать в схеме счетверенные ОУ (), можно собрать на «свободных» элементах.

А теперь, чтобы решить, какая из схем (цифровая или аналого-цифровая) лучше, сравним их характеристики:

Как видно, преимущества и недостатки есть у обеих схем, причем преимущества одной покрывают недостатки другой и наоборот. Поэтому не нужно изо всех сил стремиться собрать свое по «правильной» схеме, в которой с цифровым сигналом работает цифровая , а с аналоговым - аналоговая; иногда нестандартное включение элементов, как на рис. 2.10, а и 2.10,6, позволяет сэкономить и на деталях, и на электричестве. Но с нестандартным включением нужно быть крайне осторожным: большинство элементов в таком режиме неустойчиво, и под влиянием малейших воздействий они могут «забастовать», а то и вообще выйти из строя. Предсказать развитие событий при нестандартном включении элементов очень сложно даже для опытных радиолюбителей-практиков, поэтому определить работоспособность (или неработоспособность) той либо иной «нестандартной» можно только на макете. При этом вы заодно узнаете потребляемый схемой ток и некоторые другие, интересующие вас, характеристики, а также сможете подкорректировать номиналы отдельных элементов.

Особое место в истории электроники занимает так называемый «таймер 555», или попросту «555» (предприятие, разработавшее эту микросхему, назвало его «ΝΕ555», отсюда и пошло название). эта представляет собой простую, как и все гениальное, комбинацию аналоговых и цифровых устройств, и благодаря этому ее универсальность потрясающа. В свое время (начало 90-х годов) во многих радиолюбительских изданиях действовала рубрика типа «придумай новое применение таймера 555» - тогда только стандартных схем включения этой было предложено больше, чем страниц в этой книге.

А он (принцип действия) весьма прост: под воздействием внешнего аналогового (не цифрового!) модулирующего сигнала изменяется частота, скважность, или длительность выходного сигнала.

Бывают двух видов: линейные и импульсные. Линейные (амплитудные, частотные, фазовые и т. д.) используются только в радиовещании, поэтому рассматриваться здесь не будут. бывают широтно-импульсные (ШИМ) и фазо-импульсные (ФИМ). Друг от друга они практически ничем не отличаются, поэтому их нередко путают Делать этого нельзя - ведь если придумали для них два разных названия, значит, это кому-то было нужно. Отличаются они тем, что у ФИМ частота выходного сигнала неизменна (т. е. если длительность импульса в X раз увеличилась, то длительность паузы в X раз уменьшится), а у ШИМ - изменяется (длительность одного из полупериодов - импульса или паузы - всегда одинакова, а у другого - изменяется в такт модулирующему напряжению).

Рассматривать работу модуляторов будем по диаграммам, расположенным рядом с рисунками. Модулирующий сигнал для таймера 555 очень удобно подавать на его вход REF (этот вход у таймера 555 предназначен именно для этого; полагать «модулирующий» сигнал на вход REF других микросхем нельзя!), что обычно и делают.

Начнем с ФИМ. этот практически ничем не отличается от обычного генератора, и частота выходных импульсов ФИМ рассчитывается по формуле для генератора. Но давайте посмотрим, что будет, если на вход REF «генератора» подать внешнее напряжение.

Как видно из диаграмм, под воздействием модулирующего напряжения изменяется , или, если кто забыл суть этого термина, отношение периода импульса (лог. «1» + лог. «О») к длительности импульса (лог. «1»). А происходит это вот почему.

Когда на вход REF не подается внешнее напряжение, напряжение на нем равно 2/3 напряжения питания и равна 2, т. е. длительность импульса равна длительности паузы. В этом нетрудно убедиться с помощью теоретических расчетов: уровень лог. «О» на выходе генератора установится только после того, как напряжение на его входах R и S станет равным 1/3 U cc относительно шины «U cc », а уровень лог. «1» - после того, как напряжение на входах станет равным 2/4 U cc относительно общего провода. В обоих случаях падение напряжения на частотозадающем резисторе R1 одинаково, поэтому и длительности импульса и паузы одинаковы.

Предположим, что под воздействием внешнего сигнала напряжение на входе REF уменьшилось. Тогда уменьшится и напряжение переключения обоих компараторов таймера - допустим, до 1/4 и 2/4 соответственно. Тогда уровень лог. «1» сменится на лог. «О» на выходе таймера после того, как напряжение на частотозадающем конденсаторе увеличится от 1/4 U cc до 2/4 U cc , а уровень лог. «О» сменится уровнем лог. «1» после того, как оно уменьшится от 2/4 U cc до 1/4 U cc . Нетрудно заметить, что в первом случае падение напряжения на частотозадающем резисторе больше (при U cc = 10 В оно изменяется от 7,5 В до 5,0 В), чем во втором (2,5 В -» 5,0 В), и, если вспомнить закон Ома, протекающий через ток в первом случае будет в 2 раза больше, чем во втором, т. е. при уровне лог. «1» на выходе таймера будет заряжаться в 2 раза быстрее, чем разряжаться - при уровне лог. «0». То есть длительность импульса в 2 раза меньше длительности паузы и при дальнейшем уменьшении напряжения REF уменьшится еще сильнее.

Логично заметить, что при увеличении напряжения на входе REF начнет увеличиваться, и как только оно превысит 2/3 U cc , длительность импульса станет больше длительности паузы.

На основе такого модулятора очень удобно собирать разнообразные импульсные . Простейшая С4 быстро заряжается. Как только напряжение на нем станет приближаться к значению, выставленному резистором R7, VT3 начнет приоткрываться, напряжение на входе REF DA1 начнет уменьшаться и длительность импульсов на выходе генератора будет уменьшаться. С каждым тактом колебаний генератора в С4, через VT1 и VT2, будет «закачиваться» все меньше энергии, пока, наконец, не наступит динамическое равновесие: С4 получает ровно столько же энергии, сколько отдает в нагрузку - при этом напряжение на нем остается неизменным. Если ток нагрузки внезапно увеличится, напряжение на конденсаторе немножко уменьшится («нагрузка «садит» источник питания»), VT3 немножко закроется и длительность импульсов лог. «1» на выходе генератора будет увеличиваться, пока снова не наступит динамическое равновесие. При уменьшении тока нагрузки длительность импульсов, наоборот, будет уменьшаться.

Динамическое равновесие не нужно путать с истинным равновесием. Последнее наступает тогда, когда, например, на две чашки весов кладут гири одинаковой массы; такое равновесие весьма неустойчиво, и его очень легко нарушить, незначительно изменив массу любой гири. Аналогия истинного равновесия из мира электроники - это когда для уменьшения напряжения, для питания какой-нибудь низковольтной от высоковольтного для нее источника питания используют . Пока потребляемый схемой ток неизменен, неизменно и напряжение на ней. Но как только потребляемый ток увеличится, напряжение на схеме уменьшится - равновесие нарушилось.

Поэтому во всех современных схемах источников питания (и не только их) реализуется принцип динамического равновесия: часть (она называется «цепь ООС» - этот термин вам уже знаком) следит за сигналом на выходе устройства, сравнивает его с эталонным сигналом (в схеме на рис. 2.14 «эталонное напряжение» - напряжение отпирания транзистора VT3; оно не очень стабильно, но нам большая точность и не нужна; для увеличения точности поддержания выходного напряжения неизменным можно заменить инвертором (k ycU и 20…50) на ОУ) и, если два сигнала не равны друг другу, изменяет напряжение на выходе устройства в соответствующую сторону до тех пор, пока они не совпадут.

Так как в этой схеме в цепь ООС можно поставить только каскад (только такой , да еще дороговатый ОУ, может усилить сигнал по напряжению; a k ycU в этой схеме, для увеличения стабильности выходного напряжения, должен быть значительный), то при увеличении напряжения на движке резистора R7 напряжение на входе REF будет уменьшаться, причем независимо от структуры ( нормально работать не будет.

Поэтому мне пришлось немножко схитрить: поставить на выходе DA1 промежуточный каскад на транзисторе (VT1) и сигнал для управления силовым транзистором структуры p-n-p (VT2) снимать с этого транзистора. Правда, при этом возникла новая проблема: заряжаются емкости база-эмиттер транзисторов «со свистом», а вот разряжаются очень медленно. Из-за этого открывается резко (что и надо), а закрывается весьма плавно, при этом падение напряжения на его выводах коллектор-эмиттер тоже плавно увеличивается и выделяющаяся на нем в виде тепла мощность резко возрастает. Поэтому для ускорения процесса запирания транзисторов пришлось поставить низкоомные R4 и R6. Из-за них экономичность усилителя при большом выходном токе больше, чем без них (уменьшаются потери энергии на нагрев радиатора транзистора VT2), а при малом (менее 200 мА) - меньше: только через несколько сложней: для этого нужен дополнительный запускающих импульсов. В этом и заключается принципиальное отличие ФИМ от ШИМ.

Как работает , хорошо видно из диаграмм. Длительность запускающих импульсов у такой (как на рис. 2.12) модулятора должна быть как можно меньше, по крайней мере, к тому времени, как С1 зарядится до напряжения переключения по входу R, на входе S уже должен быть установлен уровень лог. «1», который должен продержаться на нем некоторое время (примерно 1/100 от длительности импульса) для того, чтобы С1 успел разрядиться. В противном случае возможно возникновение самовозбуждения на близкой к максимальной рабочей частоте для используемой в схеме .

Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по зако­ну непрерывной функции. Они находят применение в аппаратуре связи, телевидения и телеуправления, аналоговых вычислительных машинах, магнитофонах, измерительных приборах, системах кон­троля и т. п.

Благодаря совершенствованию технологии и методов проекти« рования номенклатура аналоговых микросхем постоянно расширяет­ся. В большом количестве выпускаются микросхемы для различных по назначению и функциональным возможностям генераторов, де­текторов, модуляторов, преобразователей, усилителей, коммутаторов, ключей, фильтров, вторичных источников питания, устройств селек­ции и сравнения, а также многофункциональные микросхемы и ми­кросхемы, представляющие собой наборы элементов.

Функциональный состав наиболее распространенных отечествен­ных серий аналоговых интегральных микросхем, находящих приме­нение как при изготовлении профессиональной аппаратуры, так и в практике радиолюбителей, представлен в табл. 2.1.

Серии существенно различаются по областям преимущественно­го применения, функциональному составу и количеству входящих в них интегральных микросхем.

Большая группа серий предназначена в основном для создания приемопередающей аппаратуры радиосвязи, выпускаются серии для телевизионной аппаратуры, магнитофонов, электрофонов и других устройств. Все эти серии условно можно подразделить на функцио­нально полные и функционально неполные. Функционально полные состоят из широкого круга специализированных микросхем, относя­щихся к разным функциональным подгруппам (табл. 2.1). Каждая из этих серий позволяет создать практически все реализуемые сейчас в микроэлектронном исполнении узлы таких устройств, как радиоприемники, телевизоры и подобные им по сложности.

Функционально неполные серии состоят из небольшого числа специализированных или универсальных микросхем. Они предназна­чены в основном для создания отдельных узлов аналоговой аппа­ратуры.

Особого внимания специалистов и радиолюбителей заслуживают серии, объединяющие наиболее универсальные по своим функцио­нальным возможностям микросхемы - операционные усилители (§ 2.8). Каждый операционный усилитель может служить основой для большого числа узлов, относящихся к различным функциональ­ным подгруппам и видам.

Таблица 2.1

Таблица 2.2 и Таблица 2.3

Таблица 2.4

Для характеристики микросхем различных серий и для сравни­тельной оценки микросхем, относящихся к одному виду, в основном используют совокупности функциональных параметров. Однако в инженерной и радиолюбительской практике важную роль играют и такие факторы, как напряжение питания, конструктивное оформ­ление, масса, предельно допустимые условия эксплуатации микросхем. Часто именно они имеют решающее значение при выборе эле­ментной базы для конкретной аппаратуры.

Данные по напряжению питания приведены в табл. 2.2, из ко­торой видно, что для питания микросхем используются различные номинальные значения напряжений положительной и отрицательной полярности. При этом допуск в большинстве случаев составляет 4-10%. Исключение составляют микросхемы серий К140, имеющие допуск ±5 %, часть микросхем серии К224 с допусками ±5, ±20 и ±25 % микросхемы серии К245 с допуском ±20 %, а также ча­стично микросхемы серий 219, К224, 235 и К237, нормально рабо­тающие при изменении напряжений в более широких пределах.

Различие по величине питающих напряжений во многих прак­тических случаях затрудняет или делает невозможным использова­ние в одном устройстве микросхем различных серий, даже если они отвечают требованиям по основным функциональным параметрам.

Разнообразно конструктивное оформление микросхем различных серий. Они различаются по форме, размерам, материалу корпусов, количеству и типу выводов, массе и т. д. Как видно из табл. 2.3, для рассматриваемых в настоящей главе микросхем используется 25 типоразмеров прямоугольных и круглых корпусов со штырько­выми или пленарными выводами. Часть микросхем (серий К129, К722 и др.) выпускается в бескорпусном оформлении с гибкими проволочными или жесткими выводами. Масса микросхем в корпу­сах колеблется от долей грамма (корпуса 401.14-2 и 401.14-3) до 17 г (корпус 157.29-1). Масса бескорпусных микросхем не превы­шает 25 мг.

По предельно допустимым условиям эксплуатации микросхемы разных серий существенно различаются.

Различие по температурному диапазону применения аналоговых микросхем показано в табл. 2.4. Очевидно, что микросхемы, харак­теризуемые нижним пределом температурного диапазона - 10 или - 30 °С, не могут быть рекомендованы для применения в переносной аппаратуре, предназначенной для работы в зимних условиях. Иног­да серьезные ограничения накладывает верхняя граница +50 или +55 °С.

По устойчивости к механическим нагрузкам микросхемы раз­личных серий близки друг к другу. Большинство микросхем выдер­живает вибрационную нагрузку в диапазоне от 1 - 5 до 600 Гц с ускорением 10 g. (Для микросхем серий К122, К123 ускорение не должно превышать 5 g, а для микросхем серий КП9 и К167 - 7,5 g.) Исключение составляют микросхемы серии К245 и часть микросхем серии К224, диапазон вибрационных нагрузок для кото­рых 1 - 80 Гц с ускорением 5 g.

Объем настоящей книги не позволяет детально рассмотреть все выпускаемые отечественной промышленностью микросхемы. Поэтому далее дана лишь краткая характеристика приведенных в табл. 2.1 серий и входящих в них микросхем с указанием основных парамет­ров, проведено сравнение микросхем по видам и более подробно проанализированы схемотехнические и функциональные особенности микросхем серий К122, К140, К224, 235, К521, которые, по мнению авторов, могут представлять наибольший интерес для широкого круга читателей. Для ряда микросхем приведены примеры типовых функ­циональных узлов.

Необходимую информацию о микросхемах других серий можно найти в каталогах, справочниках, книгах и периодической литера­туре, в первую очередь в журналах «Радио» и «Электронная про­мышленность». Пользуясь этими изданиями, следует помнить о том, что в них часто отождествляются параметры собственно интеграль­ных микросхем и параметры функциональных узлов, иногда пред­ставляющих лишь один из многих вариантов применения конкрет­ной микросхемы. При использовании ее с другими внешними эле­ментами и при иных вариантах коммутации выводов параметры узлов могут существенно отличаться от приводимых в литературе данных. Кроме того, следует заметить, что в различных источниках наблюдаются расхождения в описании отдельных микросхем при количественной оценке их параметров. Это связано с расширением номенклатуры отдельных серий и с модернизацией некоторых ми­кросхем.

Серии микросхем для аппаратуры радиосвязи и радиовещания

Основная статья Серии микросхем для аппаратуры радиосвязи и радиовещания

Серии микросхем для телевизионной аппаратуры

Основная статья Серии микросхем для телевизионной аппаратуры

Серии микросхем для магнитофонов и электрофонов

Основная статья Серии микросхем для магнитофонов и электрофонов

Серии микросхем для линейных и импульсных устройств

Основная статья Серии микросхем для линейных и импульсных устройств

Микросхемы для усилительных трактов аппаратуры радиосвязи и радиовещания

Основная статья Микросхемы для усилительных трактов аппаратуры радиосвязи и радиовещания

Микросхемы вторичных источников питания

Несомненный интерес для радиолюбителей и специалистов представляют микросхемы серий К181, К142, К278, К286, К299. Они предназначены для использования во вторичных источниках питания для стабилизации напряжения. Такие устройства позво­ляют, в частности, по-новому осуществить электропитание слож­ных устройств с нестабилизированными источниками постоянного тока за счет применения индивидуальных стабилизаторов для от­дельных блоков и каскадов.

Рис. 2.28. Микросхема К181ЕН1

Микросхема К181ЕН1 (рис. 2.28) серии К181 выполнена по схеме с последовательным включением регулирующего элемента. Основные каскады стабилизатора - составной регулирующий тран­зистор (Тв, Т7), симметричный дифференциальный усилитель (TS) Тд) и источник опорного напряжения, включающий в себя стаби­литрон Дз и эмиттерный повторитель на транзисторе Ts.

Микросхема К181ЕН1 работает при нестабильном входном на­пряжении 9 - 20 В, обеспечивая стабилизированное выходное на­пряжение 3 - 15 В. Максимальный ток нагрузки не должен пре­вышать 150 мА. Коэффициент нестабильности по напряжению 7-103.

Серия К142 состоит из семи микросхем, пять из которых пред­ставляют собой различные сочетания четырех диодов.

Рис. 2.29. Стабилизатор напряже­ния на микросхеме К142ЕН1
Рис. 2.30. Микросхема К299ЕВ1

Микросхемы К142ЕН1 и К142ЕН2 - регулируемые стабилизато­ры напряжения. Каждую микросхему выпускают в четырех модификациях. Среди них стабилизаторы с коэффициентом нестабиль­ности по напряжению 0,1; 0,3 или 0,5 %, с коэффициентом не­стабильности по току 0,2; 0,5; 1 и 2 %. Нижний предел диапазона регулировки напряжения 3 или 12 В, а верхний 12 или 30 В. Пример построения стабилизатора напряжения на микросхеме К142ЕН1 приведен на рис. 2.29.

Микросхемы серии К278 обеспечивают при выходном напря­жении 12 В и выходном токе 2,5 А коэффициент пульсации ме­нее 0,012.

Серия К299 предназначена для создания выпрямителей с ум­ножением напряжения. Выходное напряжение 2000 - 2400 В. Вы­ходной ток 200 мкА. На рис. 2.30 приведена схема выпрямительной микросхемы К299ЕВ1.

Операционные усилители

Основная статья Операционные усилители

Микросхемы компараторов

В практике радиолюбителей часто возникает необходимость в сравнении величин аналоговых сигналов с выдачей результата сравнения в виде двухуровневого логического сигнала. Решить эту задачу можно с помощью специальных микросхем - компараторов. В общем случае это специализированные ОУ с дифференциальным входным каскадом, работающим в линейном режиме, и одиночным или парафазным выходным каскадом, работающим в режиме огра­ничения.

Рис. 2.33. Микросхема К521СА2 (а) и прецизи­онный компаратор на. микросхеме К521СА1 (б)

Компаратор выполнен по сравнительно простой схеме без входов стробирования.

На входе применен дифференциальный каскад на транзисторах T6 и T7 с генератором стабильного тока на транзисторе Т9. Тер­мостабилизация режима транзистора T9 обеспечивается транзисто­ром Т10 в диодном включении.

Второй каскад тоже выполнен по дифференциальной схеме на транзисторах Т4 и 7Y Благодаря балансной схеме подачи смещения поддерживается постоянным напряжение на базе транзистора Т3 при изменении положительного напряжения питания. Стабилитрон Д2 в змиттерных цепях транзисторов Г4 и Т5 фиксирует потенциа­лы их баз на уровне 7В. Это значение определяет допустимый входной сигнал. Для повышения нагрузочной способности выхода по току применен эмиттерный повторитель на транзисторе 72.

Стабилитрон Д1 в эмиттерной цепи этого транзистора предна­значен для сдвига уровня выходного сигнала с целью обеспечения совместительности компаратора по выходу с входами цифровых ТТЛ микросхем. Транзистор Т8 обеспечивает путь для входного вы­текающего тока подключенной к компаратору ТТЛ микросхемы при логическом 0. Транзистор Т1 в диодном включении замыкает диф­ференциальный выход второго каскада, если размах выходного напряжения в положительной области превышает 4 В. Это спо­собствует повышению быстродействия компаратора.

Более совершенной является двухканальная схема построения компараторов, реализованная, в частности, в микросхеме К521СА1. На рис. 2.33,6 приведен пример использования этой микросхемы в качестве компаратора напряжения.

Перемножение аналоговых сигналов, как и усиление, является одной из основных операций при обработке электрических сигналов. Для осуществления операции перемножения были разработаны специализированные ИМС - перемножители аналоговых сигналов (ПАС). ПАС должны обеспечивать точное перемножение в широком динамическом диапазоне входных сигналов и в возможно более широком частотном диапазоне. Если ПАС позволяют перемножать сигналы любых полярностей, то их называют четырехквадрантными, если один из сигналов может быть только одной полярности, двухквадрантными. Перемножители, умножающие однополярные сигналы, называются одноквадрантными. Известны разнообразные одно- и двухквадрантные ПАС на основе элементов с управляемым сопротивлением, переменной крутизной, использованием логарифматоров и антилогарифматоров. Например, регулятор с изменением режима работы элементов, изображенный на рисунке 7.7в, можно использовать в качестве перемножителя, если на дифференциальный вход подать напряжение u x , а вместо E упр подать u y . Под воздействием u y меняется крутизна передаточной характеристики транзисторов, на базы которых подается второе перемножаемое напряжение u x . Можно показать, что выходное напряжение U вых , снимаемое между коллекторами транзисторов ДК, при R к 1 =R к 2 =R к определяется по формуле

Коэффициент усиления по току БТ, включенного по схеме с ОБ; ? T - температурный потенциал, ? T =25,6 мВ.

Если u x <<? T , то выражение для U вых можно упростить:

Недостатком рассмотренного простейшего перемножителя на одиночном ДК является весьма малый динамический диапазон входных сигналов, в котором обеспечивается приемлемая точность перемножения. Например, уже при u x =0,1? T погрешность перемножения достигает 10%.

Более широкий динамический диапазон перемножаемых напряжений при меньшей погрешности обеспечивают логарифмические перемножители построенные по принципу "логарифмирование-антилогарифмирование". Схема подобного ПАС приведена на рисунке 7.23.

Рисунок 7.23. Логарифмический умножитель

Здесь ОУ DA 1 и DA 2 производят логарифмирование входных напряжений, а DA 3 используется в качестве сумматора, на выходе которого напряжение равно:

U 0 = k 1 (lnu x + lnu y ) = k 2 lnu x u y .

С помощью ОУ DA 4 производят антилогарифмирование

U вых = k 3 antilnU 0 = k 3 u x u y

Следует заметить, что в данных выражениях используются напряжения, нормированные относительно одного вольта. Коэффициенты пропорциональности k 1 , k 2 , k 3 определяются резистивными элементами, включенными в цепи ООС используемых ОУ. Большим недостатком подобных ПАС является сильная зависимость диапазона рабочих частот от амплитуд входных сигналов. Так, если при входном напряжении 10В верхняя частота перемножаемых напряжений может составлять 100кГц, то при входном напряжении 1В полоса рабочих частот сужается до 10кГц .

Принцип логарифмирования и антилогарифмирования используется в наиболее распространенном способе построения четырехквадрантных ПАС с нормировкой токов, которые обладают наилучшей совокупностью таких параметров, как линейность, широкополосность, температурная стабильность. Обычно они имеют дифференциальные входы, что расширяет их функциональные возможности. Перемножители с нормировкой токов выполняются по интегральной полупроводниковой технологии.

Упрощенная принципиальная схема ИМС ПАС с нормировкой токов типа 525ПС1 приведена на рисунке 7.24.

Устройство содержит сложный дифференциальный каскад на транзисторах VT 7 , …, VT 10 . Перекрестные связи коллекторов этих транзисторов обеспечивают инверсию сигналов, необходимую для четырехквадрантного умножения. Входные каскады на транзисторах VT 3 , …, VT 6 и VT 11 , …, VT 14 преобразуют входные напряжения u x и u y в токи. С помощью транзисторов в диодном включении VT 1 и VT 2 происходит логарифмирование токового сигнала по входу Y. Антилогарифмирование сигнала Y и умножение его на сигнал X осуществляется усилителем на транзисторах VT 7 , …, VT 10 .

Рисунок 7.24. Упрощённая схема ИМС перемножителя 525ПС1

В рассматриваемом устройстве связь между входными и выходными сигналами может быть представлена в виде отношения токов. Выходной ток перемножителя определяется соотношением

где I X и I Y - токи, протекающие через резисторы R X и R Y ; I pX и I pY - рабочие токи в каналах X и Y.

Выходное напряжение, снимаемое с одного из сопротивлений нагрузки, равно

Масштабный коэффициент.

Все приведенные на рисунке 7.24 резисторы, кроме R 1 и R 2 , являются внешними. Их выбор зависит от конкретных требований к ПАС.

Для получения на выходе ПАС нулевого напряжения при равных нулю входных напряжениях предусмотрена подстройка с помощью переменных резисторов R 4 и R 5 . Если перемножитель работает только при одной полярности одного из входных сигналов, то он называется смещенным. Для превращения четырехквадрантного ПАС в смещенный достаточно на один из входов подать такое постоянное смещение, при котором сигналы на этом входе всегда оказываются меньше напряжения смещения.

К аналоговым ИС относят все виды интегральных схем, работа которых связана с обработкой непрерывных во времени сигналов. Такими ИС являются усилители электрических сигналов, фильтры, перемножители сигналов и др. Широкое распространение получили операционные усилители (ОУ). Их используют в различных функциональных устройствах, поскольку на основе ОУ удается реализовать широкий спектр линейных и нелинейных операторов преобразования входных сигналов в выходные сигналы (см. п. 1.6.1, п. 1.6.2).

Операционный усилитель – это аналоговая интегральная схема, которая имеет, как минимум, пять выводов (рис. 4.20).

Два вывода ОУ используются в качестве входных, один выход является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. В зависимости от фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выходов (вход 1) называется неинвертирующим, другой (вход 2) – инвертирующим. Выходное напряжение U вых связано с входными напряжениями U вх1 и U вх2 соотношением

U вых =К U 0 (U вх1 –U вх2 ),

где К U 0 – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению (ограничивается значениями 10 5 … 10 6).

Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба входа ОУ.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Е П, –Е П). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. Напряжение питания реальных ОУ находится в диапазоне В. Применение источника питания со средней точкой обеспечивает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

На рис. 4.21 приведены схемы функциональных преобразователей входного сигнала (напряжения) u вх в выходной сигнал u вых на основе нереверсивного (а) и реверсивного (б) ОУ.

а)

б)

Для создания сопротивлений Z 1 и Z ОС применяются резисторы (R 1 , R ОС ) и конденсаторы (C 1 , C ОС ), а также полупроводниковые приборы: выпрямительные диоды, стабилитроны, транзисторы и др. В табл. 4.5 приведены зависимости выходного напряжения u вых от входного напряжения u вх функциональных преобразователей (регуляторов) с инвертирующим ОУ (рис. 4.21б) при различных реализациях Z 1 и Z ОС .

Реализация некоторых функциональных преобразователей

на инвертирующем ОУ

Таблица 4.5

k=R ОС /R 1 , Т И =R 1 C ОС К=R ОС /R 1 , Т Д =R ОС С 1 , Т И = R 1 C ОС

Т И = R 1 C ОС

К=R ОС /R 1 Т Д =R ОС С 1

C ОС R ОС

C ОС

R ОС

Z ОС Z 1 R 1 C 1 R 1

← Вернуться