26. Формирователи одиночных и установочных сигналов

Для управления электронными устройства часто используются генераторы-формирователи одиночных импульсов, срабатывающих либо при нажатии кнопок, либо по включению напряжения питания (сброс, установка, перевод в другой режим и т.д.). Такие формирователи выдают только один импульс на внешнее воздействие.

При использовании механических контактов (кнопки), как правило, происходит несколько контактов-размыканий. Такое явление называется “дребезг” контактов. Для исключения этого явления используют формирователи на базе триггеров, например, R-S-триггера. На рис.179 приведена простейшая схема устранения ‘’дребезга’’ контактов. На логических элементах 2И-НЕ реализован R-S-триггер, который меняет свое состояние только один раз при переключении контактов. Резисторы R1 и R2 формируют уровни U¹ на входах ЛЭ, когда эти входы находятся в свободном состоянии, что повышает помехоустойчивость по входу.

Рис.179

Схема устранения «дребезга» контактов с формированием короткого импульса и ее временные диаграммы приведены на рис.180. Схема включает в себя R-S-триггер на ЛЭ с открытым коллектором и формирователь импульсов с времязадающим конденсатором C. Выходной каскад формирователя реализован на ЛЭ с открытым коллектором, что позволяет реализовать функцию ‘’Монтажное ИЛИ’’.

Рис.180

На рис.181,182 приведены варианты схем формирователей установочных импульсов по моменту включения питания. Первая схема формирует короткий импульс в момент "после" подачи напряжения питания, вторая схема формирует положительный перепад напряжения после подачи напряжения питания через время .

Рис.181

Рис.182

27. Операционный усилитель. Структура. Параметры. Уго.

Операционными усилителями (ОУ) принято называть интегральные усилители постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления, на основе которого можно выполнять различные операции над аналоговыми сигналами, причем свойства ОУ будут определяться параметрами охватывающей его цепи отрицательной обратной связи (ООС). Основная особенность УПТ - возможность усиления медленно изменяющихся сигналов.

В зависимости от значений параметров (качества технологии изготовления) ОУ подразделяются на:

- общего назначения;

- быстродействующие (большая скорость нарастания выходных напряжений до 500 В/мс);

- прецизионные (малые дрейф нуля и шумы);

- микромощные (J_пот1мА);

- программируемые.

По принципу действия и схемному выполнению ОУ делятся на два типа:

- усилители с непосредственными связями;

- усилители с промежуточным преобразованием.

Для функционального обозначения ОУ используются символы УД, например, 140УД20, для схемотехнического обозначения - символы DA. На рис. 188 приведены два варианта УГО ОУ.

1. 

Вх1 - инвертирующий вход;

Вх2 - неинвертирующий вход;

U - напряжение питания;

 - корпус;

OV - общий информационный вход;

- промежуточный, контрольный вы - вод;

FC - выводы частотной коррекции;

NC - выводы балансировки.

Рис.188

Входные сигналы на ОУ подаются относительно одной общей шины, относительно которой снимается и выходной сигнал, поэтому источник входного сигнала и нагрузку можно непосредственно подключить к ОУ, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих.

Основной характеристикой ОУ является амплитудная характеристика зависимость U_ВЫХ = f(U_ВХ), которая характеризует скорость нарастания выходного напряжения (рис.189).

U_ДР - напряжение дрейфа нуля.

U_СМ - напряжение смещения.

Рис.189

При любой технологии изготовления ОУ из-за незначительных разбросов параметров отдельных элементов на выходе усилителя имеется некоторое напряжение, отличное от нуля, при подаче на вход U_ВХ = 0. Это напряжение U_ДР называется дрейфом нуля. Для компенсации U_ДР на вход подается определенное напряжение смещения U_СМ.

Основные параметры ОУ:

- K_U - коэффициент усиления по напряжению;

- K_П - коэффициент подавления синфазного сигнала;

- U_ДР и U_СМ - напряжения дрейфа и смещения;

- U_Ш - уровень собственных шумов;

- S - крутизна амплитудной характеристики;

- U_ВЫХmax - максимальная амплитуда выходного напряжения;

- f₁ - частота, на которой K_U =1;

- J_ПОТ - потребляемый ток;

- J_ВЫХmax - максимальный выходной ток.

Упрощенная схема ОУ с непосредственными связями представлена на рис.190.

Упрощенная схема ОУ с непосредственными связями представлена на рис.190.

Схема ОУ включает входной сложный дифференциальный каскад VT1-VT7, из которых VT1, VT2 и VT3, VT4 - собственно плечи дифференциального каскада. VT5 и VT6 выполняют роль динамической нагрузки дифференциального каскада. VT7 выполняет роль эмиттерного повторителя (ЭП), задающего смещения на VT5 и VT6. UT1 - управляемый источник тока для дифференциального каскада. К высокоомному выходу дифференциального каскада подключен эмиттерный повторитель VT8. Выходной каскад VT10, VT11 подключен через дополнительный эмиттерный повторитель с динамической нагрузкой (VT9 и UT3). Управляемые источники тока UT1, UT2, UT3 взаимосвязаны выходной ток одного является входным другого. Это обеспечивает высокую температурную и временную стабильность. ОУ имеет внутреннюю частотную коррекцию, которую реализует конденсатор C_K. Он создает отрицательную обратную связь в каскаде ЭП (VT8). Т.к. емкостное сопротивление C_K с увеличением частоты уменьшается, то глубина отрицательной ОС увеличивается и коэффициент усиления ОУ уменьшается. Частотная коррекция необходима для того, чтобы изменить АЧХ и устранить самовозбуждение ОУ при введении внешней ОС. Для повышения устойчивости ОУ иногда схему дополняют внешними цепями коррекции, которые подключаются к выводу FC. Внешний конденсатор коррекции можно подключать двояко:

- если C_K2 соединить с общей шиной, то уменьшится частота, с которой начинается снижение коэффициента усиления;

Рис.190

- если подключить С_К1, то появляется положительная ОС, которая уменьшает глубину отрицательной ОС, реализуемой через С_К. Соответственно, увеличивается скорость нарастания выходного напряжения и увеличивается частота, на которой начинается уменьшение коэффициента усиления ОУ.

Для балансировки дифференциального каскада к эмиттерам VT5 и VT6 подсоединяется внешнее переменное сопротивление, которое изменяет токи покоя в плечах дифференциального каскада и позволяет получить U_ВЫХ = 0 (исключить дрейф нуля дифференциального каскада).

В некоторых схемах ОУ вводят дополнительный управляющий вывод, который управляет током одного или нескольких UT ОУ. Изменение тока управляющего вывода (J_УПР) позволяет перестраивать характеристики ОУ. Такие ОУ называются программируемыми (1407УД1-1407УД4).

ОУ с непосредственными связями характеризуются значительными температурными и временными дрейфами выходного напряжения, что не позволяет создание высококачественных аналоговых устройств. Для этих целей используются прецизионные ОУ, в которых используется дополнительное преобразование входного напряжения. В таких ОУ входной сигнал постоянного тока преобразуется (модулируется) в сигнал переменного тока, который затем усиливается и демодулятором и фильтром снова преобразуется в сигнал постоянного тока. На рис.191 представлена структурная схема ОУ с преобразованием. Г- генератор, управляющий модулятором (М) и демодулятором (DM). В качестве модуляторов и демодуляторов используются МОП - транзисторы в ключевом режиме.

Рис.191

ОУ с преобразованием имеют в несколько раз меньше дрейф нуля, чем ОУ с непосредственными связями.

На рис.192 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу ОУ с преобразованием.

Рис.192

Ниже для сравнения приведены параметры температурный коэффициент U_СМ и коэффициент усиления по напряжению К_U для различных типов ОУ.

140 УД13 (с преобразованием)ТКU_СМ0,5 мкВ/с.

140 УД 14 ( с непосредственными связями) ТКU_СМ15 мкВ/с.

140 УД 8 ( с непосредственными связями) ТКU_СМмкВ/с.

140 УД13 - К_U = 10.

140 УД 14 - К_U = 10⁴.

140 УД 8 - К_U = 5^.10⁴.