Контрольные вопросы и задания

1. Как определяется КОСС операционного усилителя?

2. Как добиться максимального КОСС измерительного усилителя?

3. Почему неточность взаимного согласования плеч дифференциального каскада влияет на значение коэффициента ослабления синфазного сигнала?

4. Чем объясняется большое расхождения КОСС измерительного усилителя для открытого и закрытого входов?

Литература

1. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника.- М.,Радио и связь, 1990.-496 с.

2. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. - М., Мир, 1988.

3. Коломбет А.Е. и др. Применение аналоговых микросхем.- М.,Р Радио и связь,1990.

Лабораторная работа № 3 Аналоговое запоминание сигнала

Цель работы: изучение устройства выборки-хранения (УВХ) аналоговых сигналов.

В аналоговой технике элементами памяти, т. е. аналоговыми запоминающими устройствами (АЗУ), являются УВХ и амплитудные (пиковые) детекторы. Функция памяти состоит в хранении на запоминающем конденсаторе в течение некоторого времени мгновенного значения входного напряжения. В режиме выборки УВХ повторяет входной сигнал, а затем по команде запоминает его мгновенное значение и переходит в режим хранения. Режим выборки амплитудных детекторов имеет место, когда входное напряжение становится больше хранимого на конденсаторе, а в режиме хранения напряжение на конденсаторе больше входного. Обычно переход от УВХ к амплитудному детектору осуществляется заменой МДП ключей диодами.

Как правило, быстродействие и точность АЗУ имеют противоположный характер зависимости от емкости запоминающего конденсатора. С одной стороны, конденсатор с меньшей емкостью можно быстрее зарядить, а с другой — конденсатор с большей емкостью более точно хранит напряжение. В каждой из известных схем АЗУ достигнут определенный компромисс между точностью и быстродействием, отражающий степень совершенства самой структуры АЗУ и правильности выбора параметров и режимов работы его элементов.

Устройство выборки-хранения может быть построено на ОУ (рис.1). В режиме выборки (или слежения) при Uупр>Uвх транзисторы Т1 и Т2 открыты, конденсатор Схр заряжается от источника входного сигнала Uвх, ток Iу составляет примерно 100мка, выходной сигнал УВХ с максимально возможной скоростью достигает значения входного сигнала и затем отслеживает его до тех пор, пока не поступит команда на хранение. При Uупр=0 ключ Т1 на МОП-транзисторе закрыт, Iу близок к нулю. С этого момента УВХ будет хранить значение входного сигнала, которое было на выходе в момент поступления команды на хранение. Конденсатор Схр будет медленно разряжаться через очень высокое входное сопротивление операционного усилителя К140УД12. ОУ включен в режиме повторителя, его коэффициент передачи равен единице. Использование ОУ, программируемого током Iу позволяет в режиме выборки получить быстродействие ОУ, на уровне ОУ широкого применения (т.е. высокое, скорость нарастания выходного напряжения ОУ становится равной 10 15 В/мкс и

минимально время выборки.), а в режиме хранения ОУ работает как микромощный, что позволяет замедлить разряд Схр.

Р ис.1. Принципиальная схема УВХ на операционном усилителе

Обобщенной характеристикой точности и быстродействия УВХ является пропускная способность С_t, определяемая количеством информации о входном сообщении, передаваемом на выход УВХ за единицу времени :

С_t=-(log₂ )/t_B,

где t_B — время, необходимое для выборки нового значения входного сигнала с погрешностью .

В режиме выборки разница между входным и выходным напряжением УВХ определяется степенью неидеальности МОП ключа и ОУ. В режиме хранения напряжение на запоминающем конденсаторе Схр изменяется из-за протекания токов утечек ключа и конденсатора, а также входных токов ОУ.

В зависимости от условий эксплуатации УВХ минимальный ток разряда конденсатора может быть получен при использовании либо МОП транзистора, либо полевого транзистора с управляемым переходом. Ток утечки полевых транзисторов с управляемым переходом существенно возрастет при высокой температуре. Хотя у МОП транзистора меньше чувствительность тока утечки к изменению температуры, однако величина этого тока больше, чем у полевого транзистора. Последнее объясняется в первую очередь существованием токов утечки между каналом и подложкой. Эти составляющие тока утечки протекают в цепь истока или затвора или в обе цепи в зависимости от напряжения смещения на электродах. Кроме того, МОП транзисторы имеют значительный ток утечки между истоком и стоком. Обе составляющие тока утечки МОП транзистора минимальны, если разность напряжений на его электродах близка к нулю.

Быстродействие УВХ определяется продолжительностью двух переходных процессов. Первый — время перехода из режима выборки к хранению — включает время размыкания ключа и установления выходного напряжения. Второй — время перехода из режима хранения к режиму выборки (время выборки) — состоит из трех составляющих: замыкание ключа, нарастание напряжения на запоминающем конденсаторе до величины Uвх и установление выходного напряжения с требуемой точностью .

Обычно превалирует время выборки, основной составляющей которого является заряд запоминающего конденсатора. Длительность процесса выборки прямо пропорциональна емкости конденсатора Схр, но обратно пропорциональна этой емкости погрешность УВХ. Компромиссным решением является построение двухкаскадного УВХ. Первый каскад с небольшой емкостью запоминающего конденсатора и, следовательно, быстрой выборкой. Сравнительно большое время хранения получается во втором каскаде УВХ, где конденсатор Схр заряжается от первого каскада, прежде чем его выходное напряжение изменится больше допустимой величины. Поэтому емкость конденсатора второго каскада может быть значительно больше, чем первого.

Для увеличения времени хранения до нескольких сотен секунд без ухудшения точности и увеличения времени выборки применяются многокаскадные УВХ. Каскады УВХ включаются последовательно друг за другом. Быстродействие определяется также первым каскадом УВХ. Однако, чтобы сохранить высокую точность хранения, каждый каскад должен обеспечивать собственную точность выше требуемой на выходе последнего каскада.

Для построения УВХ достаточно одного ОУ, МОП транзистора и конденсатора. Однако, такие УВХ целесообразно использовать, если выходное сопротивление источника сигнала невелико (меньше 100 Ом).

Н едостатком рассмотренных УВХ является влияние на их параметры источника сигнала или нагрузки. Простое подключение буферных каскадов на ОУ ко входу или выходу этих УВХ увеличивает их погрешности. Поэтому применяют УВХ на двух ОУ с общей отрицательной обратной связью, благодаря чему устраняются статические ошибки, обусловленные вторым ОУ. Источники погрешности в таких УВХ те же, что и в однокаскадных, однако методы уменьшения этих погрешностей отличаются от рассмотренных.

Рис.2.Принципиальная схема микросхемы КР1100СК2.

Наиболее удачным по сочетанию параметров является УВХ КР1100СК2. Структура этой микросхемы отличается тем, что с целью повышения быстродействия в качестве аналогового ключа используются биполярные комплементарные транзисторы, обеспечивающие минимальное сопротивление в открытом состоянии. Применение для управления аналоговым ключом дополнительной логической схемы обеспечивает работу УВХ от ТТЛ, ЭСТЛ и КМОП логических схем (рис.2). Пороговое напряжение схемы управления задается внешним источником. При этом дифференциальное напряжение между выводами устройства управления равно 0,8...2,4 В, что соответствует согласованию УВХ с микросхемами ТТЛ-серий. При этом опорное напряжение на вывод 7 не подается(вывод 7 подключается на общий провод источника питания. Вместе с тем на входы устройства управления допускается подача сигналов от —3 В до +3 В, что позволяет управлять УВХ ЭСТЛ и КМОП микросхем.

Микросхема КР1100СК2 содержит два ОУ с высоким входным сопротивлением, ключевую схему управления (входы 7,8), обеспечивающую токовое управление ключом. К выводу 6 микросхемы подключается конденсатор Схр с номиналом 1000 пФ, при этом типовое время выборки составляет 5-10 мкс.

Вывод 2 микросхемы предназначен для цепей балансировки нуля. Питание - двухполярное и осуществляется от источников напряжения +12 и –12 В, подается на выводы 4 и 1 микросхемы. Управление переключением режимов выборки и хранения осуществляется ТТЛ импульсами, подаваемыми на вывод 8 микросхемы. Резистор с выхода второго ОУ на инвертирующий вход первого ОУ осуществляет межкаскадную отрицательную обратную связь, которая исключает вхождение в насышение первого ОУ при разомкнутом ключе. Это уменьшает время выборки. При очень малых входных сигналах два встречно-параллельно включенных диода первого ОУ закрыты и ОУ работает с большим коэффициентом передачи. При отпирании одного из диодов его коэффициент передачи становится равным единице. Второй ОУ всегда работает в режиме буферного усилителя с коэффициентом передачи единица.

При обработке аналоговых сигналов с амплитудой меньше 1 В их необходимо усилить до 5 В, чтобы было минимальным влияние погрешностей УВХ. Для этого ко входу УВХ подключается прецизионный ОУ, охваченный общей отрицательной ОС с выхода УВХ.

С помощью УВХ можно «очистить» аналоговый низкочастотный сигнал от импульсных помех. Такая задача всегда возникает при обработке аналоговых сигналов, поступающих по длинным линиям связи. В этих случаях аналоговый сигнал содержит высокочастотные составляющие, обусловленные работой системы цифровой обработки информации и различных силовых приборов (реле, электродвигатели). Если такой аналоговый сигнал подать на вход УВХ и управлять его работой тактовым генератором цифровой системы, то УВХ будет выполнять роль фильтра нижних частот, заменяя громоздкие пассивные или дорогие активные фильтры, применяемые обычно для решения таких задач.

На рис.3 представлена принципиальная схема стенда, на котором выполняется работа № 3. Микросхема УВХ работает в типовом включении от двухполярного источника питания + 12В -12В, конденсатор Схр=1000пф. Перевод УВХ в режим выборки или хранения производится переключателем,

Р ис.3. Принципиальная схема стенда работы № 3

имеющем три положения –1-высокий логический уровень соответствует режиму выборки, -0-низкий логический уровень переводит УВХ в режим хранения, в третьем положении от встроенного генератора подаются положительные импульсы длительностью 10мкс. Во время действия импульса УВХ находится в режиме выборки, все остальное время – в режиме хранения. Частота следования управляющих импульсов плавно регулируется потенциометром. Микросхема УВХ не допускает подачи на вход напряжений, больше +\- 5В, поэтому для защиты микросхемы от перенапряжений по входу применен д вухсторонний диодный ограничитель.

Рис. 4. Лицевая панель стенда работы № 3

Порядок выполнения работы:

1. Измерить напряжения U1, U2 стенда цифровым мультиметром

2. Подать поочередно напряжения U1, U2 на вход УВХ

3. Измерить выходное напряжение в режиме выборки

4. Подать на вход напряжение U1, измерять каждые 5 сек. напряжение на выходе в режиме хранения

5. Установить последовательно Схр=10н, Схр=Х, повторить п.4 для каждого значения Схр

6. Подать на вход УВХ сигнал синусоидальной формы f=100 Гц, U=2-:2,5 В

7. На логический вход подать импульсы управления с внутреннего генератора стенда

8. Установить частоту внутреннего генератора такой, чтобы сигнал на выходе УВХ

а) максимально приближался по форме к синусоидальному

б) форма выходного сигнала резко отличалась от синусоидальной

9. Определить частоту следования управляющих импульсов с внутреннего генератора для п.8а, 8б

10. Повторить п.7, 8, 9 для f=10 кГц, U=2-:2,5 В

11. Подать пилообразный сигнал f=100 Гц, U=2-:2,5 В

12. Повторить п.7, 8, 9

13. Повторить п.7, 8, 9 для f=10 кГц, U=2-:2,5 В

14. Подготовить отчет, построить зависимость напряжения

на выходе УВХ при различных Схр, проверить по теореме Котельникова соответствие частоты выборки удвоенной частоте исследуемого сигнала.