6 Лекция

Цель: аналого-цифровые микросхемы, сравнение двух сигналов между собой, преобразование сигналов в последовательность импульсов, модулированных по длительности.

Содержание: построение схем сравнения сигналов – компараторов; широтно-импульсный молулятор на интеграторе и компараторе.

6.1 Компараторы

Аналоговые ИС оперируют с непрерывными сигналами, а цифровые ИС – с дискретными. Существуют также аналого-цифровые схемы, являющиеся буфером между непрерывными, и дискретными сигналами.

Типичным представителем аналого-цифровых ИС является компаратор –

простейший преобразователь нерперывного сигнала в дискретный. Напряжение на выходе компаратора может находиться на одном из двух фиксированных уровней: на верхнем, если сигнал на его неинвертирующем (прямом) входе больше напряжения на инвертирующем входе, и на нижнем – при противоположном соотношении этих напряжений, как показано на рис. 26-а. Обычный ОУ может быть успешно применён для работы в качестве компаратора. Верхний уровень его выходного сигнала близок к напряжению источника питания положительного знака, а нижний уровень – к напряжению питания отрицательного знака.

Существуют также компараторы, специально разработанные для преобразования непрерывных сигналов в дискретные, имеющие выходные сигналы, соосветствующие уровням логических «0» и «1» цифровых ИС.

Компаратор не предназначается для работы в режиме с отрицательной обратной связью (ООС), поэтому в нём не обеспечивается линейность

а) б)

Рисунок 26 – Временные диаграммы сигналов простейшего компаратора – а),

схема простейшего компаратора – б)

амплитудной (сквозной) характеристики и не предусматриваются корректирующие цепи, устраняющие самовозбуждение при введении ООС.

На рис. 26-б показана схема простейшего компаратора. Например, напряжения насыщения ОУ составляет 10 В и К = 10000, тогда пороговое напряжение U_ПОР = 10 / 10000 = 1 мВ. Если прямой вход заземлить, то мы получим схему нуль-компаратора, её выходное напряжение будет перебрасываться в моменты пересечения входным сигналом нулевой линии. Подавая на вход схемы синусоидальный сигнал U_ВХ > 20 мВ, на выходе получим практически прямоугольное напряжение.

На практике часто присутствует шум во входном сигнале, компаратор перебрасывается при каждом пересечении уровней входных напряжений, на выходе имеет место так называемый дребезг, см. рис. 27. Для избавления от дребезга в схему вводится небольшая положительная обратная связь (ПОС), -через резистор R₃ на прямой вход ОУ подаётся выходной сигнал, как показано на рис. 28-б. Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель напряжения для установки порогового напряжения на прямом входе ОУ, а делитель

Рисунок 27 – Дребезг выходного сигнала компаратора

напряжения для сигнала ПОС создают резисторы R₃ и R₁. Положительная обратная связь создаёт в схеме два порога: порог срабатывания и порог отпускания в зависимости от состояния выхода. Уровень порога срабатывания должен быть выше уровня порога отпускания (см.рис. 28-а) как раз на величину напряжения шумов, то есть зависимость вход – выход приобретает гистерезис. При наличии гистерезиса шумы не

а) б)

Рисунок 28 – Характеристика вход – выход с гистерезисом – а), схема компаратора с гистерезисом – б)

вызывают многократные переключения компаратора и тем самым устраняется дребезг выходного сигнала. Кроме того ПОС обеспечивает более быстрое переключение выхода независимо от скорости изменения входного сигнала.

Для того чтобы ещё больше увеличить скорость переключения, к резистору R₃ подключают параллельно конденсатор небольшой ёмкости. Такая схема называется триггером Шмитта, она часто используется в качестве порогового устройства.

Применяются компараторы как по прямому назначению – для сравнения

двух напряжений, так и в различных схемах с положительной обратной связью: формирователях, редаксационных генераторах, в аналого-цифровых преобразователях.

6.2 Широтно-импульсный модулятор

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ-модулятор) преобразует входной сигнал в последовательность импульсов, ширина которых зависит от значения входного напряжения. Несущая частота, имеющая форму меандра (импульсов с одинаковой длительностью обеих полуволн), подаётся на вход интегратора, см. рис. 29. На выходе интегратора получаются треугольные.

Рисунок 29 – Схема широтно-импульсного модулятора

импульсы. Благодаря наличию резистора R₃ эти импульсы поддерживаются симметрично относительно земли. Треугольные выходные импульсы интегратора подаются на один из входов компаратора, а

Рисунок 30 – Временные диаграммы сигналов широтно-импульсного модулятора

входной модулируемый сигнал – на другой. Компаратор переключается, когда маплитуда входного сигнала становится равной амплитуде треугольных импульсов, см. рис. 30. При нулевом входном сигнале скважность (отношение длительности импульсов к периоду) равна 0,5. При максимальном положительном сигнале скважность около 1, при максимальном отрицательном сигнале скважность приближается к нулю.

ШИМ-модуляция часто используеся в измерительных системах, благодаря её более высокой помехоустойчивости по сравнению с другими видами

модуляции. Поскольку передаваемая информация заключена в длительности импульсов, то помехи и шумы, влияющие на амплитуду ШИМ-модулированного сигнала, не изменяют информативный параметр ШИМ-сигнала – длительность импульсов. ШИМ-модуляция применяется в структурах звуковых усилителей класса D, которые на сегодня являются наиболее распространёнными, см лекцию 9.

6.3 Аналоговые ключи

Аналоговые ключи служат для коммутации в цепях, по которым передают непрерывные сигналы, управляющими сигналами ключей являются прямоугольные импульсы. Выполняются аналоговые ключи в виде интегральных схем на основе МОП-транзисторов. МОП-транзисторы в данном случае удобны тем, что, во-первых, в открытом состоянии могут пропускать ток в обоих направлениях и при этом в канале отсутствуют паразитные источники напряжения, а во-вторых, цепь управления МОП-транзистора электрически изолирована от сигнальной цепи. Сопротивление канала открытого ключа составляет 10...1000 Ом. Качество закрытого ключа характеризуют током утечки, который для МОП-транзисторных переключателей обычно лежит в диапазоне 0,1...10 нА.

На рис. 31 показана схема одного канала интегральной схемы КР590КН8, всего в микросхеме 4 канала.

а) б)

Рисунок 31 – Схема электронного ключа – а), временные диаграммы – б)

Собственно роль ключа выполняет транзистор Т2, а транзистор Т1 является управляющим. Т1 и Т2 – это МОП-транзисторы с индуцированным

n-каналом, Т1 включён по схеме усилителя с общим истоком. При подаче на затвор Т1 напряжения низкого уровня – логического нуля он находится в закрытом непроводящем состоянии. Напряжение на его стоке близко к напряжению стокового питания +Е_П , это напряжение, будучи приложено к затвору транзистора Т2, приводит его в проводящее состояние. Канал «исток – сток» включён, коммутируемый сигнал проходит через него в любом напрвлении.

При подаче на затвор Т1 напряжения высокого уровня – логической единицы он переходит в открытое проводящее состояние. Напряжение на его стоке почти равно напряжению истокового питания -Е_П , это напряжение, приводит транзистор Т2 в закрытое состояние. Канал «исток – сток» выключен, коммутация сигнала прекращается.

Время переключения аналоговых ключей составляет несколько наносекунд. Аналоговые ключи применяются в рассмотренных нами в лекции 3 схемах интеграторов с сбросом, в устройствах выборки-хранения, также для построения построения цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей др.