3.3. Микросхемы в портативных магнитофонах

Возможности применения микросхем в магнитофонах проил­люстрируем на примере портативного кассетного магнитофона. Он рассчитан на запись и воспроизведение речевых и музыкальных программ Предусмотрена запись с микрофона, от звукоснимате­ля или с трансляционной линии. Скорость движения ленты 476 см/с коэффициент детонации не более 0,6%. Запись произ-водится по двум дорожкам на кассеты типа С-60 (ширина ленты 381 мм толщина 18 мкм, длина 90 м). Длительность звучания 2x30 мин Частотный диапазон канала запись-воспроизведение 60 — 6300 Гц при неравномерности частотной характеристики не более 6 дБ относительный уровень шума ниже 42 дБ. Выход-мощность 0,3 В-А при коэффициенте нелинейных искажений 5%. В магнитофоне есть линейный выход, на котором обеспечи­вается напряжение 300 мВ при коэффициенте нелинейных иска­жений 0 7 % Питается магнитофон от шести элементов 343 или сети через стабилизированный выпрямитель напряжением 9 В.

Принципиальная схема магнитофона представлена на рис. 3.6. Магнитофон состоит из универсального усилителя записи и вос-пппизведения на МС_{, оконечного усилителя записи и выпрями­теля для индикатора на МС_а, генератора тока стирания и под-магничивания и стабилизатора напряжения на МС₃. Усилитель НЧ-на МС₄ и двух транзисторах T₁ и Т₂. Работа основных трак-тов подробно рассмотрена в § 2.4.

Рис. 3.6. Принципиальная схема магнитофона на микросхемах серии К237

В режиме «Воспроизведение» сигнал снимается с универсаль­ной головки МЛ и через переключатель В_{ и конденсатор С₂ по-пяется на вход 14 микросхемы МС_Ь усиливается шестикаскадным учителем и с вывода 5 через конденсатор С₁₀, резисторы R_a, усилителе. попадает на вход 3 микросхемы MC_t предварительного усилителя НЧ, а затем — на оконечный каскад на транзисторах Т₁ и Т₂.

Оптимальная АЧХ усилителя воспроизведения задается цепями R₅, С₆, R4, С₄, R₃, R₇, C₈, R₈, L₁, C₁₂. При этом подъем нижних частот достигает 22, верхних — 15 дБ. Подъем высоких частот устанавливают резистором R&, тембр звучания — переменным ре­зистором R₁₀. Регулировка громкости воспроизведения осуще­ствляется переменным резистором R₁₃. Коррекция частотной ха­рактеристики усилителя НЧ осуществляется цепями C₂₆, R₂₂, С₂₃, R₂₇.

В режиме «Запись» сигнал поступает через один из входов магнитофона и далее через конденсатор С_1, переключатель В₁, конденсатор С₂ на выход 14 микросхемы МС1, на которой выпол­нен предварительный усилитель записи. Затем сигнал через кон­денсаторы С₁₀ и C₁₃ подается на оконечный усилитель записи на МС₂. Усиленный сигнал с выхода 7 микросхемы поступает через цепи R₁₈, C₁₈, R₁₉, С₂₂, L_z, C₂₀ на записывающую головку МГ_{.

Одновременно на эту же головку подается ток подмагничивания с выводов 4 и 5 трансформатора Tpi генератора подмагничивания и стирания. (Магнитная головка стирания МГ₂ подключена парал­лельно к этим же выводам трансформатора.) Установку тока за­писи производят переменным резистором $₁₈, уровня записи — ре­зистором R₂. Ток подмагничивания регулируют резистором R₂₀. Подъем уровня нижних частот осуществляется цепью Сц, R₁₆ и может изменяться на 6 дБ переменным резистором R_i7, подъем уровня высоких частот — цепью L₁ C₁₂.

Стабилизатор частоты вращения двигателя представляет со­бой ключ на транзисторе Т₃, регулирующий ток, протекающий че­рез обмотки электродвигателя М₁, в зависимости от положения контактов центробежного регулятора. Для уменьшения уровня помех от двигателя использованы дроссели Др₂, Дрз и конденса­торы С₃₂, С₃з и С₃4. Индикатор ИП₁ в режиме записи показы­вает уровень сигнала, в режиме воспроизведения — --- напряжение пи­тания.

Глава четвертая

ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

И ТИПОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ

4.1. ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

Цифровые микросхемы предназначены для преобразо­вания и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, например двоичной, функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, а также цифровых узлов измери­тельных приборов, аппаратуры автоматического управления, связи и т. д.

По функциональному назначению цифровые микросхемы под­разделяются на подгруппы логических микросхем, триггеров, эле­ментов арифметических и дискретных устройств и др. Внутри каждой подгруппы по функциональному признаку микросхемы подразделяют на виды. Сведения о подгруппе и виде микросхемы содержатся в ее условном обозначении (см. Приложение).

Цифровые микросхемы выпускают сериями. В состав каждой серии входят микросхемы, имеющие единое конструктивно-техноло­гическое исполнение, но относящиеся к различным подгруппам и видам. В серии может быть также несколько микросхем одного вида, различающихся, например, числом входов или нагрузочной способностью. Чем шире функциональный состав серии, тем в боль­шей степени она обеспечивает выполнение требований к микроэлек­тронной аппаратуре в отношении компактности, надежности и эконо­мичности, поскольку применение микросхем одной серии исключает необходимость в дополнительных, например согласующих, устрой­ствах.

Таблица 4.1

Вид логики	Полярность напряжения питания
	Положительная	Отрицательная
Положительная
Отрицательная

Большинство цифровых микросхем и все те, о которых будет идти речь в этой книге, относятся к потенциальным микросхемам: сигнал на их входе и выходе представляется высоким и низким уровнем напряжения. Указанным двум состояниям сигнала ставят­ся в соответствие логические значения 1 и 0. В зависимости от кодирования состояния двоичного сигнала различают положитель­ную и отрицательную логику (табл. 4.1).

Логические операции, выполняемые микросхемами, обычно ука­зывают для положительной логики. Однако есть и исключения из этого правила, они в тексте будут оговорены.

Длительность потенциального сигнала определяется сменой информации: например, длительность сигнала на выходе микросхе­мы определяется временным интервалом между двумя входными сигналами. Иногда применительно к потенциальным микросхемам говорят, что они управляются положительными или отрицательны­ми импульсами. В таких случаях речь идет о том, что для измене­ния состояния микросхемы необходимо на заданное время изменить уровень входного сигнала с 1 на 0 (отрицательный импульс) либо с 0 на 1 (положительный импульс).

Свойства цифровых микросхем характеризуют системой элек­трических параметров, которые для удобства рассмотрения разде­лим на статические и динамические.

Статические параметры характеризуют микросхему в статиче­ском режиме. К ним относятся:

напряжение источника питания U_и._п; входное U°_вх и выходное U°вых напряжения логического 0; входное U¹вх и выходное U¹вых напряжения логической 1; входной I^О_вх, I'_вх и выходной I°_Вых, I'_Вых токи логического 0 и логической 1;

коэффициент разветвления по выходу K_раз, определяющий чис­ло входов микросхем — нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу данной микросхемы; в этом смысле часто употребляют термин «нагрузочная способность» микросхемы;

коэффициент объединения по входу Коб, определяющий число входов микросхемы, по которым реализуется логическая функция; допустимое напряжение статической помехи U_a;

средняя потребляемая мощность Р_Пот,_ср.

Последние два параметра нуждаются в кратком пояснении.

Допустимое напряжение статической помехи характеризует ста­тическую помехоустойчивость микросхемы, т. е. ее способность про­тивостоять воздействию мешающего сигнала, длительность которого значительно превосходит время переключения микросхемы. Такая помеха и названа статической. Напряжение допустимой статиче­ской помехи обычно определяется как разность выходного и вход­ного напряжений, соответствующих уровню логической 1 либо уров­ню логического 0 (в расчет принимается наименьшее значение U_a): U¹_n=U¹_BbIX — U¹вx; U⁰п = U°вх-U°вых.

Средняя потребляемая мощность определяется выражением

P_noT.cp ⁼ (Р⁰пот + Рпот) /2,

где Рпот, Р'пот — потребляемая микросхемой мощность в состоянии соответственно 0 и 1 на выходе.

Общепринятое усреднение потребляемой мощности оправдано тем, что обычно во время работы в составе цифрового устройства логические микросхемы половину времени находятся в открытом состоянии, а другую половину времени — в закрытом.

Средняя потребляемая мощность тесно связана с быстродейст­вием микросхемы (ее временем переключения или рабочей частотой переключения); чем больше средняя потребляемая мощ­ность, тем с большей часто­той может переключаться ми­кросхема.

Рис. 4.1. Временные диаграммы напряжений на входе и выходе логической микросхемы

Для многих типов микро­схем характерно заметное уве­личение потребляемой мощно­сти с ростом частоты пере­ключения, что связано с увеличением потребления

мощности в процессе пере­ключения по сравнению со статическим режимом. Учиты­вая это, следует при расчетах реального энергопотребления цифрового устройства ориен­тироваться на мощность, по­требляемую микросхемами в режиме переключения с заданной частотой, т. е. на мощность, по­требляемую в динамическом режиме.

Динамические параметры характеризуют свойства микросхемы в режиме переключения. В основном это временные параметры ми­кросхемы:

время перехода из состояния логического 0 в состояние логиче­ской 1 t^0,1;

время задержки распространения сигнала при выключении ми­кросхемы t^0,1_{зд, р};

время перехода из состояния логической 1 в состояние логиче­ского 0 t^1,0;

время задержки распространения сигнала при включении ми­кросхемы t ^1,0_Здр;

среднее время задержки распространения сигнала t_зд,р,ср.

Динамические параметры определяют при сравнении сигналов на входе и выходе логического элемента. На рис. 4.1 приведены временные диаграммы входного и выходного сигналов и показаны уровни отсчета, относительно которых определяют динамические параметры.

Среднее время задержки служит усредненным параметром быст­родействия и определяется как полусумма задержек t^0,1_зд.р и t^1,0_зд.р.

Этот параметр часто является основным при расчете рабочей часто­ты сложных логических устройств.

Среднее время задержки зависит от многих факторов: принци­па построения логических элементов, наличия или отсутствия режи­ма насыщения у входящих в схему транзисторов, величины пере­ключающих токов и т. д. Кроме того, на среднее время задержки оказывают существенное влияние и условия работы микросхемы: температура окружающей среды, изменения питающих напряжений, емкость нагрузки и т. д.

Стремление обеспечить высокую надежность аппаратуры за­ставляет принимать в расчет те значения параметров логических элементов, в том числе и среднего времени задержки, которые соответствуют наихуд­шим условиям их работы.

Рис. 4.2. Характеристика динами­ческой помехоустойчивости логи­ческой микросхемы

При использовании в рас­четах справочных данных не­обходимо обращать внимание на то, для каких условий приведены эти данные и при необходимости перерассчиты­вать параметры с учетом ре­альных условий работы ми­кросхем.

Например, расчеты, уточ­няющие среднее время за­держки, можно производить с помощью коэффициентов, от­ражающих влияние на значение среднего времени задержки тем пературы «₉ и емкости нагрузки Кс:

При этом предполагается линейная зависимость среднего време-ни задержки от указанных факторов.

К числу динамических параметров следует отнести также ди­намическую помехоустойчивость, характеризующую способность ми­кросхемы противостоять воздействию импульсной помехи, длитель­ность которой соизмерима со средним временем задержки переда­чи сигнала через микросхему.

Количественно динамическая помехоустойчивость определяется амплитудой и длительностью импульса помехи, но чаще с помощью характеристики (рис. 4.2), отражающей зависимость допустимой амплитуды импульса помехи от длительности этого импульса. Из рисунка видно, что по мере увеличения длительности импульса по­мехи допустимая амплитуда помехи снижается до уровня макси­мально-допустимого напряжения статической помехи.

Заметим, что указанные параметры широко используют для ха­рактеристики как микросхемы в целом, так и отдельных ее элемен­тов: логических элементов, триггеров и др.

Эксплуатационные параметры характеризуют работоспособность интегральных микросхем в условиях воздействия окружающей сре­ды. К ним относятся: диапазон рабочих температур, допустимые механические нагрузки (вибрации, удары, линейные ускорения), границы допустимого изменения атмосферного давления, наиболь­шая влажность и некоторые другие.