СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Карпушов Е.Н. Котов Л.Н. Баженов М.В.

Микросхемотехника

Методическое пособие

к

лабораторным работам

Сыктывкар

1999

Одобрено на заседании методического совета физического факультета Сыктывкарского государственного университета “_____” “__________” 1999 года.

Оглавление

Введение 3

Лабораторная работа № 1.Схемы включения

операционных усилителей

Лабораторная работа №2. Измерительный усилитель

Лабораторная работа № 3. Аналоговое запоминание

Сигнала

Лабораторная работа № 4. Аналоговый мультиплексор

Лабораторная работа № 5. Цифро-аналоговый преобразователь

Лабораторная работа № 6. Цифровые интегральные схемы

Лабораторная работа № 7. Синтез логических цепей

Введение

Методическая разработка является пособием для студентов при выполнении работ по курсу “Микросхемотехника“ и направлено на изучение основных типов аналоговых и цифровых интегральных схем и схем их включения.

Аналоговые интегральные схемы предназначены для обработки сигналов в реальном масштабе времени, причем выходная информация такой интегральной схемы остается аналоговым сигналом. Выходной сигнал является некоторой функцией входного сигнала.

В работах изучаются операционные усилители и схемы их включения (работы 1 и 2), устройства аналогового запоминания мгновенного значения сигнала (устройство выборки – хранения, работа 3), аналоговые мультиплексоры (работа 4), цифроаналоговые преобразователи (работа 5).

Цифровые интегральные схемы изучаются в работе 6, а синтез логических схем на универсальных логических элементах выполняется в работе 7.

Лабораторная работа № 1 Схемы включения операционных усилителей

Цель работы: изучение инвертирующего и неинвертирующего включений операционного усилителя, вычисление коэффициентов усиления, построение АЧХ при различных коэффициентах передачи.

Операционным называется усилитель, с помощью которого можно строить узлы аппаратуры с параметрами, практически зависящими только от свойств цепи отрицательной обратной связи, в которую он включен. Основное назначение операционного усилителя — построение схем с фиксированным коэффициентом усиления и точно синтезированной передаточной функцией. Операционный усилитель можно использовать для построения самых разнообразных устройств: стабилизаторов напряжения, генераторов сигналов, видеоусилителей, активных фильтров, масштабирующих, логарифмирующих, дифференцирующих, интегрирующих и других усилителей. Стандартный усилитель общего применения может использоваться примерно в 100... 150 схемах включения.

Независимо от сложности принципиальной схемы интегральный операционный усилитель состоит из входного дифференциального усилителя, усилителя напряжения, схемы сдвига постоянного уровня и выходного усилителя мощности.

Рис.1. Схема простейшего операционного усилителя

Простейший операционный усилитель (Рис.1)состоит из дифференциального каскада T1, T2, схемы сдвига уровня (стабилитрона D1) и выходного каскада — эмиттерного повторителя Т3.

Операционный усилитель может работать как от однополярного, так и от двухполярного источника питания. При отсутствии входного сигнала на базах T1 и T2 напряжение на выходе должно составлять Uвых=0, необходимый сдвиг уровня напряжения обеспечивается стабилитроном D1. Дифференциальный каскад, а следовательно и операционный усилитель может работать от изолированного или заземленного источника сигнала Uвх. Генератор тока I, имеющий высокое выходное сопротивление обеспечивает глубокую отрицательную обратную связь и улучшает подавление синфазного сигнала.

В зависимости от количества каскадов, вносящих основной вклад в общий коэффициент усиления, в настоящее время различают трехкаскадные и двухкаскадные операционные усилители. Трехкаскадную структуру имели операционные усилители первоначальной разработки. С начала семидесятых годов операционные усилители (ОУ) проектируются только по двухкаскадной структурной схеме, в которой каскады 2 и 3 удается совместить.

Первый каскад ОУ выполняется по схеме дифференциального усилителя. Уменьшение ошибок и усиление постоянной составляющей сигнала, повышение сопротивления входного каскада достигается за счет работы входного каскада в режиме микроамперных токов эмиттеров. Все входные параметры ОУ определяются свойствами его входного дифференциального каскада.

Второй каскад первых ОУ выполняется по простой дифференциальной схеме. Когда применяется схема двухкаскадного усилителя, второй каскад имеет схему включения с общим эмиттером (ОЭ). Кроме увеличения коэффициента усиления, второй каскад обеспечивает согласование по сопротивлению входного и оконечного каскадом. Для того чтобы устранить постоянную составляющую напряжения, возникающую в схеме ОУ при непосредственной связи о каскадов, дополнительно вводится специальная схема смещения (сдвига) постоянного уровня. В двухкаскадных ОУ специальная схема сдвига отсутствует, так как ее функцию автоматически выполняет второй каскад.

Оконечный (выходной) каскад ОУ служит для согласования большого выходного сопротивления усилительных каскадов с низкоомной нагрузкой, т. е. позволяет получить малое выходное сопротивление ОУ. Обычно он выполняется по двухтактной схеме, работающей режиме классов АВ или В. Иногда в самых простых схемах ОУ вменяется однотактный выходной каскад, работающий в режиме класса A (эмиттерный повторитель Т3 на рис.1).

ОУ обычно получают питание от двух симметричных источников, обеспечивающих одинаковые по величине положительную и отрицательную амплитуды выходного напряжения. Для большинства современных ОУ напряжения питания можно менять в достаточно широких пределах (часто от ±3 до ±15 В), что позволяет строить как экономичные схемы, так и усилители с большой (или несимметричной) амплитудой выходного сигнала. Возможности применения ОУ зависят от его электрических параметров. Для полной характеристики ОУ необходимо более 30 параметров.

ОУ характеризуются величиной коэффициента усиления, которая равна произведению коэффициентов усиления всех его каскадов:

, где — коэффициент усиления по напряжению ОУ без обратной связи, K_n— коэффициент усиления элементарного каскада, — частота, N — количество каскадов.

Коэффициент усиления по постоянному току некоторых интегральных ОУ достигает 5 • 10⁶ раз, но он падает с увеличением частоты. Амплитудно-частотная характе-ристика ОУ складывается из частотных характеристик отдельных каскадов, работающих при различных токах и нагрузках. Каждый каскад усилителя имеет собственную постоянную времени и может быть представлен в виде эквивалентной RС-цепочки. Поэтому суммарная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ОУ в общем виде апроксимируется диаграммой Боде с несколькими изломами (рис. 2).

а б

Рис.2. Суммарная амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики ОУ для однокаскадного (-), двухкаскадного (---) и трёхкаскадного (-.-) ОУ.

Каждый каскад на высокой частоте вносит фазовый сдвиг 90°, поэтому фазовая характеристика ОУ (рис. 2, б) зависит от количества каскадов.

В связи с тем, что на выходе ОУ для работы петли обратной связи имеется запланированный переворот фазы сигнала на 180°, на некоторой высокой частоте суммарный сдвиг фаз в усилителе, замкнутом отрицательной обратной связью (ООС), достигнет 360°. И если на этой частоте произведение коэффи­циента усиления разомкнутого усилителя на коэффициент передачи цени ООС превышает (или равен) 1, то это вызовет самовозбуждение схемы.

Получение стабильных частотных и импульсных передаточных характеристик достигается коррекцией АЧХ. Для этого вводятся емкостные отрицательные обратные связи, изменяющие наклон АЧХ замкнутой системы до скорости спада 20 дБ/дек., что характеризует стабильное звено 1-го порядка. Идеальным по стабильности ОУ был бы однокаскадный (предельное запаздывание по фазе 90°), но у него недостаточен коэффициент усиления (не более 1000). Для стабилизации двухкаскадного ОУ требуется всего один корректирующий конденсатор. Трехкаскадные ОУ можно скорректировать, применяя два внешних конденсатора (или две RС-цепочки). ОУ с числом усилительных каскадов более трех затруднительно стабилизировать без существенного ограничения их полосы усиления.

Важным параметром ОУ является входное сопротивление. Различают два вида входных сопротивлений: входное сопротивление по сигналу, т. е. наблюдаемое между входами ОУ (так называемое дифференциальное входное сопротивление), и входное сопротивление синфазному сигналу (сопротивление между входом и землей). Дифференциальное входное сопротивление определяется выражением

Rвх.диф= Uвх/ Iвх=2 /Iб=2 /Iб 2 /Iвх,

где Uвх — изменение напряжения между входами ОУ, Iвх — изменение входного тока, — температурный потенциал (при 300 К =26 мВ), Iб — ток базы входного транзистора, Iвх — входной ток смещения ОУ (по таблице его параметров).

Входное сопротивление синфазному сигналу (Rвх.сф) определяется как изменение входного тока под действием входного синфазного напряжения:

Rвх.сф= Uсф.вх/ Iвх

где Uсф.вх —приращение входного синфазного напряжения вход—земля.

Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится в пределах 10 кОм ... 10 МОм, а синфазное — превышает 100 МОм. Благодаря дифференциальному входу ОУ усиливает разностное входное напряжение и должен полностью подавлять синфазное напряжение. Однако ОУ не полностью подавляет синфазный сигнал и тем самым вносит погрешность в выходной сигнал. Данное свойство усилителя отражает параметр “коэффициент ослабления синфазного сигнала” (Kосс). Он позволяет сравнить различные типы ОУ, а также оценить вносимую ОУ погрешность и определяется как отношение коэффициента усиления напряжения ОУ к коэффициенту усиления синфазных входных напряжений.

Разность падений напряжений база—эмиттер входных интегральных транзисторов и, в меньшей степени, разброс номиналов остальных элементов ОУ приводят к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Для того чтобы на выходе ОУ установить нулевой уровень, необходимо между входами ОУ приложить некоторое напряжение балансировки (смещения) Uсм.

Все вышеупомянутые параметры ОУ зависят от температуры. Основное влияние на погрешность функции, реализуемой ОУ, оказывают температур­ные дрейфы напряжения смещения и разности входных токов. Температурный дрейф представляет собой изменение напряжения или тока при изменении температуры окружающей среды на 1° С. Эти изменения накладываются на входной сигнал» в результате чего напряжение ошибки суммируется, а ток ошибки дает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала.

Все ОУ рассчитаны на выходной ток (Iвых), определяющий минимальное сопротивление нагрузки при номинальном выходном напряжении. Превышение данного тока может вызвать выход ОУ из строя.

Выходное сопротивление ОУ определяется сопротивлением его выходного каскада и составляет 20 ... 2000 Ом (в зависимости от схемотехнического решения и назначения ОУ). Выходное сопротивление оказывает большое влияние на амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя на малое сопротивление нагрузки.

Операционный усилитель может выполнять различные функции, определяемые его цепью обратной связи. Различают две основные схемы включения ОУ, охваченного отрицательной обратной связью - инвертирующую и неинвертирующую.

Чтобы упростить расчеты и анализ схем, вводят понятие “идеального” ОУ, обладающего следующими свойствами: коэффициент усиления усилителя с разомкнутой обратной связью Ко стремится к бесконечности, спад его частотной характеристики имеет скорость 20 дБ/дек., входное сопротивление ОУ стремится к бесконечности, а выходное сопротивление приближается к нулю, усилитель не вносит ошибок усиления постоянной составляющей.

П ри включении ОУ в качестве инвертирующего усилителя (рис.3, а) фаза выходного сигнала сдвинута на 180° относительно фазы входного сигнала.

а б

Рис. 3. Основные схемы включения ОУ:

а – инвертирующая, б – неинвертирующая.

Передаточная функция этой схемы (при Uсм.о=О, Iвх=О, Косс= и Rн= ) имеет вид:

=Uвых/Uвх -R₂/R₁, где R₂,—сопротивление цепи отрицательной обратной связи, R₁,—сопротивление источника сигнала.

Неинвертирующее включение ОУ (рис.3 б) применяется в тех случаях, когда необходимо согласовать источник, обладающий вы­соким сопротивлением, со схемой обработки сигнала, имеющей низ­кое входное сопротивление. В этом случае фаза выходного сигнала повторяет фазу входного. Передаточная функция идеального ОУ в неинвертирующем включении имеет вид:

=Uвых/Uвх 1+ R₂/R₁,

Поскольку для интегральных ОУ значение коэффициента усиления находится в пределах , практически во многих случаях ошибкой, возникшей за счет идеализации этого параметра ( ), можно пренебречь. Однако ошибками сдвига постоянной составляющей, возникающей из-за разности напряжений база — эмиттер входных транзисторов и из-за прохождения входных токов ОУ через сопротивление источника сигнала, пренебрегать нельзя, поскольку они могут даже превышать уровень входного сигнала. Входные токи (Iвх) операционных усилителей обусловлены базовыми токами смещения входных биполярных транзисторов (или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе).

Входные токи биполярных транзисторов необходимы для обеспече­ния рабочего режима (подачи смещения) входного каскада и имеют величину от 50 нА до 5 мкА. ОУ с полевыми транзисторами на входе имеют входные токи менее 1 нА (правда, в ограниченном диапазоне температур).

Вследствие неидентичности характеристик транзисторов входного каскада базовые токи могут отличаться друг от друга на 20...30% и вносить существенную погрешность даже при равенстве сопротивлений источников сигнала.

Параметр- разность входных токов ( Iвх) показывает, на сколько один входной ток может отличаться от другого. Для уменьшения этой доли ошибки внутреннее сопротивление источника сигнала следует выбирать наименьшим.

Динамические характеристики операционных усилителей оцениваются при помощи двух параметров: скорости нарастания выходного напряжения и его времени установления (tуст). Под скоростью нарастания выходного напряжения принято понимать отношение изменения выходного напряжения от 10 до 90% своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение, при ступенчатом изменении входного напряжения:

=(U_0.9-U_0.1)/(t_0.9-t_0.1).

Время установления определяется как интервал времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от времени первого пересечения уровня 10% до последнего достижения уровня, 90% (от номинального значения), и характеризует в основном импульсную устойчивость ОУ.

Пользуясь идеализированными характеристиками ОУ, можно просто анализировать различные схемы включения ОУ. Идеализа­ция позволяет вывести два правила, которые можно использовать для анализа и синтеза схем на базе ОУ: на входные выводы ОУ ток от источника сигнала не ответвляется (следствие того, что ); напряжение между входами ОУ, замкнутого отрицатель­ной обратной связью, практически равно нулю (следствие того, что ).

Поскольку в инвертирующем включении неинвертирующий вход заземлен, а разность входных напряжений стремится к нулю при , инвертирующий вход называют виртуальным нулем. Входные токи ОУ почти равны нулю, а инвертирующий вход - виртуальный нуль, поэтому инвертирующее включение ОУ можно рассматривать как преобразователь входного тока в выходное напряжение.

В результате идеализации параметров ОУ при построении узлов на их базе возникают погрешности, которые тем меньше, чем ближе параметры реального ОУ к идеальным. Разработчики ОУ стремятся приблизить параметры ОУ к идеальным: увеличить коэффициент усиления, входное сопротивление, полосу усиления и скорость от­клика. ОУ разделить на четыре группы: основная масса продукции — ОУ общего применения, которые позволяют строить узлы аппаратуры, имеющие суммарную погрешность на уровне 1%, прецизионные (измерительные) ОУ, которые имеют очень большой коэффициент усиления, а также гарантированные малые уровни дрейфов и шумов, что обеспечивает реализацию узлов, работающих с погрешностью не хуже десятых долей процента. Кроме того, велика потребность в ОУ, предназначенных для построения широкополосных усилителей со скоростью отклика более 50 В/мкс, а также в микромощных ОУ, которые потребляют от источников питания ток менее 1 мА и разра­ботаны для применения в экономичной аппаратуре (часто с батарейным питанием).

Порядок выполнения работы:

Рис. 4. Лицевая панель лабораторного макета

1. Собрать схему согласно Рис.3 а

2. Подать с генератора сигнал f=500 Гц, U=20 мВ

3. Наблюдать осциллограммы, убедиться в противофазности входного и выходного сигналов

4. Из имеющегося набора резисторов установить Ку=10, Ку=100

5. Измерить реальный Ку и сверить его с расчетным

6. Собрать схему согласно Рис.3 б

7. Установить Ку=1

8. Изменяя частоту генератора от 20 Гц до 20 кГц снять зависимость Ку=F(f)

9. Установить последовательно Ку=10, Ку=100 и повторить п.8

10. Установить в цепи обратной связи R=1 МОм + С=10 н и повторить п.8

11. Записать результаты измерений

12. Подготовить отчет, все АЧХ представить на одном графике, коэффициент передачи привести в логарифмическом масштабе.