книги из ГПНТБ / Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных приборах

рому триггеру — импульсы с частотой /0/4, на выходе ячейки «И»3 — импульсы с частотой /0/8 . Причем импульсы на выходах этих ячеек не совпадают между собой по времени. Действи­ тельно, импульс на выходе ячейки «И»3 появляется тогда, когда

«И»2, так как одно из условий его появления — нулевое состоя­ ние второго триггера.

Рис. 63. Преобразователи двоичного кода в частоту на основе син­ хронного (а) и асинхронного (б) делителей частоты и вариант цепи формирования коротких импульсов (в)

Импульсы с выходов ячеек «И1», «И»2, «И»3 суммируются ячейкой «ИЛИ» и используются для пропускания через ячейку «И»4 на выход ПКЧ импульсов частоты /о- Изменяя сигналы на входах Ль А% и А3, можно изменять выходную частоту ПКЧ.

висимость между частотой / ПКЧ и числом А будет следующей:

/ = Аг /| + .42- ^ + Лз-/| = | ( 2 2-Л1 + 21-/12 + 2о.Л3) = ^ А .

Таким образом, устройство по схеме рис. 63, а преобразует двоичный код Л1Л2Л3 в выходную частоту, пропорциональную числу, представленному этим двоичным кодом.

двоичных разрядов. При увеличении разрядов числа Л необхо­ димо увеличивать количество триггеров синхронного счетчика, входящего в ПКЧ, и соответствующих логических цепей, при­ соединенных к этим триггерам.

118

В ПКЧ возможно применение также и асинхронных счетчи­ ков. Однако в этом случае задержки в срабатывании тригге­ ров, удаленных от входа счетчика, могут привести к сбоям в работе ПКЧ, проявляющимся в частичном совпадении им­ пульсов частотных компонент, получаемых с различных триг­

рис. 63, б. Счетчик в данном случае состоит из трех нетактируемых Г-триггеров. К инверсным выходам триггеров присоеди­ нены формирователи, вырабатывающие короткие импульсы в моменты опрокидывания триггеров из нуля в единицу. Ра­ бота формирователей может быть блокирована сигналом нуль на управляющих входах Ль А% Аз. Импульсы с формировате­ лей суммируются ячейкой «ИЛИ». В целом работа ПКЧ с асин­ хронным счетчиком не отличается от работы рассмотренного выше ГТКЧ с синхронным счетчиком.

В качестве формирователей в ПКЧ ,(рис. 63, б) могут быть использованы устройства, рассмотренные в § 22 (см. рис. 54). Кроме того, здесь возможно применение и обычных дифферен­ цирующих цепей. Необходимо только проконтролировать, чтобы нагрузка на триггеры, к которым присоединяются эти диффе­ ренцирующие цепи, соответствовала допустимой для данной се­ рии ИС нагрузке.

На рис. 63, в показана схема оконечной части ПКЧ, выпол­ ненной с применением дифференцирующих цепей. Подобная схема оказалась вполне приемлемой для построения десятираз­ рядного ПКЧ на триггерах серии К217 со входной частотой /о, равной 100 кгц. Перепады потенциалов с инверсных выходов

триггеров (Q4 Q2 и Q3 на рис. 63, в) передаются в данном слу­ чае на дифференцирующие емкости (1000 пф) только тогда, когда равны единице сигналы на соответствующих кодовых вхо­ дах Аь Л2 или Л3. Диоды здесь обеспечивают нагрузку инверс­ ных выходов триггеров только втекающим током, что устраняет нежелательное влияние дифференцирующих емкостей на работу триггеров. Операционный усилитель (типа К1УТ401А) выпол­ няет совместно с дифференцирующими емкостями и резистором обратной связи функцию формирования и суммирования (по­ добно ячейке «ИЛИ») коротких импульсов, соответствующих переходам единица — нуль на инверсных выходах триггеров. Диод, шунтирующий вход усилителя, устраняет положительные импульсы, возникающие при обратных, переходах. Для получе­

119

Преобразование в частоту двоично-десятичного кода осуще­ ствляется соответственно с применением двоично-десятичных делителей входной частоты Д>. При этом нужно, чтобы частот­ ные компоненты, получаемые с выходов логических цепей, при­ соединенных к различным триггерам этого делителя, соответ­ ствовали весам двоичных разрядов преобразуемого двоично-де­ сятичного кода. Так, например, если преобразуется в частоту двоично-десятичный код 4—2—2—1, то и относительные значе­ ния частотных компонент должны быть равны 4; 2; 2; 1. Такое соотношение частотных компонент может быть получено, в слу­ чае, когда в примененном двоично-десятичном делителе на 10 входных импульсов первый триггер совершит 4 перехода из единицы в нуль и обратно, второй и третий триггеры — по 2 пе­ рехода и четвертый триггер — один переход.

Следует обратить внимание на то, что количество переходов

тичного делителя, работающего в коде 8—4—2—1, может быть построен преобразователь в частоту двоично-десятичного кода

5—2—1 —1.

Подобный преобразователь с синхронным двоично-десятич­ ным делителем, работающим в коде 8—4—2—1, показан на рис. 64, а. Для большей наглядности в нижней части рис. 64, а показана также схема счетчика, работающего в коде 5—2—1—1, в котором хранится код числа А, преобразуемый в частоту. Не­ обходимо обратить внимание на то, что старший, четвертый, триггер счетчика числа А управляет пропусканием на выход частотной компоненты с младшего, первого, триггера делителя частоты fо, третий триггер счетчика управляет частотной ком­ понентой второго триггера делителя и т. д.

На рис. 64, б приведены диаграммы, иллюстрирующие ра­ боту ПКЧ по схеме рис. 64, а. Из диаграмм видно, что при лю­ бом значении числа А средняя величина выходной частоты бу­ дет равна Л/о/Ю, так как из каждых десяти импульсов частоты /о на выход .ПКЧ будут пропускаться импульсы, количество ко­ торых равно числу Лт-Диаграммы рис. 64, б позволяют также наблюдать неравномерность выходных импульсов ПКЧ, которая характерна для преобразователей в частоту как двоичного, так и двоично-десятичного кодов.

ПКЧ для других двоично-десятичных кодов могут быть по­ строены подобно описанному только что ПКЧ для кода 5—2— 1 —1. Необходимо только в каждом случае подбирать (или син­ тезировать) такой двоично-десятичный делитель, который бы обеспечивал получение _ частотных компонент, соотносящихся

120

между собой так же, как веса двоичных разрядов в преобра­ зуемом двоично-десятичном коде.

ПКЧ для двоично-десятичного кода, соответствующего мно­ горазрядному десятичному числу, выполняется простым увели­ чением числа декад делителя частоты fo и соответствующих ло­ гических цепей, присоединенных к триггерам этих декад. Нужно

Рис. 64. Преобразователь двоично-десятичного кода 5—2—I—1 в ча­ стоту (а) и диаграммы его работы (б)

только помнить, что двоично-десятичный код старшего разряда десятичного числа должен управлять «старшими» частотными компонентами, получаемыми с младшей декады делителя, и т. д.

Глава девятая

ЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

25. Разновидности линейных интегральных схем

Функции, выполняемые аналоговыми электронными узлами, весьма многообразны. Сюда относятся, например, генерирова­ ние, усиление, формирование, модуляция, демодуляция сигна­ лов различной формы. Соответственно многообразна и номен­

121

клатура линейных интегральных схем: генераторы, усилители, формирователи, стабилизаторы и т. д. Ниже будут кратко опи­ саны лишь некоторые типы линейных интегральных схем.

Бесконтактные переключатели в интегральном исполнении выпускаются 6 основном двух типов: на основе биполярных и на основе полевых транзисторов.

Ключ на биполярных транзисторах содержит в простейшем случае пару транзисторов, имеющих близкие параметры. Иден­ тичность параметров транзисторов достигается благодаря тому,

Рис. 65. Бесконтактные переключатели на основе биполярных (а) и полевых (6) транзисторов

торным выводом, входящих в ИС 1 КТО 11. Управляющее напря­ жение в виде положительного импульса подается через развязы­ вающий трансформатор на база-коллекторные переходы тран­ зисторов. Транзисторы при этом открываются, что обеспечивает высокую проводимость ключа, в качестве входа и выхода кото­ рого используются эмиттерные выводы транзисторов.

Замкнутый полупроводниковый ключ характеризуется оста­ точными напряжением и сопротивлением. Для ключа на ИС типа 1 КТО 11 остаточное сопротивление составляет несколько десятков ом. Остаточное напряжение коллектор— эмиттер каж­ дого из транзисторов составляет 1—2* мв. Однако, поскольку транзисторы включены встречно и имеют весьма близкие ха­ рактеристики, то разность остаточных напряжений этих тран­ зисторов, которая и является остаточным напряжением ключа в целом, составляет несколько десятков микровольт.

Для уменьшения остаточного напряжения ключа рекомен­ дуется токи в базах транзисторов устанавливать порядка 1— 2 ма [9].

122

В разомкнутом состоянии полупроводниковый ключ 1КТО 11 характеризуется током утечки между эмиттерами, который не превышает 10-8 а.

На рис. 65,6 приведена схема переключателя на МДП-тран- зисторах. Подобные транзисторы, предназначенные для постро­ ения бесконтактных ключей, выпускаются в виде отдельных ИС. Интегральная схема, кроме нескольких таких транзисторов, содержит обычно также «охранные» диоды, работающие в ре­ жиме восстанавливаемого пробоя (Д1 и Д2 на рис. 65, 6) и пре­ дохраняющие транзисторы от выхода из строя вследствие по­ явления недопустимо большого напряжения затвор — канал.

Положительным свойством переключателей на МДП-тран- зисторах является хорошая гальваническая развязка цепей управления и сигнальных цепей за счет высокого сопротивления перехода затвор — канал. В результате отпадает необходимость применения развязывающих трансформаторов, что упрощает схему цепи управления. Кроме того, остаточное напряжение от­ крытого ключа на МДП-транзисторе принципиально равно нулю. Это делает возможным коммутировать с малыми по­ грешностями напряжения порядка нескольких милливольт. По­ грешности подобного переключателя обусловлены сопротивле­ нием открытого ключа (50—500 ом), наводками из цепи уп­ равления в сигнальную цепь через емкость затвор — канал (не­ сколько пикофарад), а также конечным сопротивлением закры­ того ключа. Сопротивление между стоком и истоком закрытого МДП-транзистора (сопротивление закрытого р — «-перехода) обычно составляет величину порядка нескольких десятков или сотен мегаом.

Транзисторы переключателя, показанного на рис. 65,6, от­ крываются тогда, когда потенциал затвора не менее чем на не­ сколько вольт ниже потенциала канала. Вывод подложки ИС присоединен к постоянному потенциалу -h 10s. Такое же напря­ жение смещения подано на затворы транзисторов. Для того чтобы открыть соответствующий транзистор, на его затвор по­ дается отрицательный импульс амплитудой 30 в, так что на за­ творе в этот момент поддерживается отрицательный потен­ циал— 20 в. Подобный переключатель можно применять для коммутации напряжений, лежащих в диапазоне ±10 в. Дейст­ вительно, если напряжение на затворе равно +10 в, то тран­ зистор будет закрыт даже тогда, когда на сток будет подано входное напряжение +10 в (в этом случае напряжение между затвором и стоком равно нулю). Если же на затвор подан отри­ цательный потенциал ■—20 в, то транзистор будет находиться

воткрытохМ состоянии, так как при любом входном напряжении

вдиазапозне ±10 в потенциал затвора будет не менее чем на

10 в ниже потенциала стока.

Дифференциальный однокаскадный усилитель постоянного тока является одним из широко применяемых типов линейных

123

ИС. На рис. 66, а приведена схема усилителя К1УТ221 с коэф­ фициентом усиления 15—25. Транзистор ТЗ, входящий в этот усилитель, является источником тока, поступающего в эмиттеры усилительных транзисторов 77 и Т2. Диод, образованный из транзистора Т4, служит для температурной коррекции коллек-

торного тока транзистора ТЗ. Для нормальной работы усили­ тельного каскада по схеме рис. 66, а необходимо падать посто­ янное напряжение в базовую цепь транзистора ТЗ. Достигается это соединением вывода 11 с землею при подаче на выводы 1 и 7 двух разнополярных .питающих напряжений. При применении одного источника питающего напряжения, подключаемого к вы­ водам 1 и 7 ИС, можно подавать напряжение на базу тран­ зистора ТЗ, присоединяя вывод 8 к выводу 7 ИС (т. е. к поло­ жительному зажиму напряжения питания).

124

При составлении сложного усилителя из каскадов типа К1УТ221 следует учитывать тот факт, что входные зажимы этих ИС (4 и 10) должны находиться под потенциалом, близ­ ким к нулю (при двухполярном питании), в то время как на­ пряжение на выходных зажимах составляет примерно половину напряжения источника положительного напряжения. Поэтому необходимо принимать специальные меры для согласования каскадов по постоянному напряжению.

Входные токи каскадов К1УТ221 составляют несколько мик­ роампер. Для увеличения входного сопротивления усилителя можно строить параллельно-симметричные эмиттерные повтори­ тели на дополнительных транзисторах (входящих, например, в ИС 1КТ011). Однако при этом температурный дрейф нуля усилителя, приведенный ко входу, может увеличиться с 5— 20 мкв/град до 50 мкв/град и более.

На основе дифференциального усилителя могут быть постро­ ены различные аналоговые и импульсные функциональные узлы.

На рис. 66, б показан повторитель напряжения на ИС типа К1УТ221. Такой повторитель имеет коэффициент передачи при­ мерно 0,98, большое входное, малое выходное сопротивления и малые погрешности передачи как переменного, так и постоян­ ного напряжения.

Для упрощения рисунка стабилизатор эмиттерного тока на

жение прикладывать к выводу 4. Ширина петли гистерезиса такого триггера составляет 0,3—0,4 в.

Более чувствительный триггер может быть построен при вве­ дении в схему дополнительного каскада усиления (рис. 66,в). Открываясь и закрываясь, транзистор Т5 за счет делителя R2— R1 изменяет потенциал на входе транзистора Т2. Этим обеспе­ чиваются два устойчивых состояния триггера. Увеличивая от­ ношение R2 /R1 , можно получить величину гистерезиса для этого триггера менее 0,1 в. Цепь R4 — Д1 в схеме рис. 66, в спо­ собствует надежному запиранию транзистора Т5.

На рис. 66, г приведена предложенная автором схема нульоргана, построенного на основе ИС К1УТ221 и обеспечиваю­ щего получение на выходе непрерывной импульсной последо­ вательности в случае, если входные напряжения таковы, что U2> U 1- Исходно, когда UZ< U 1 , транзисторы Т2 и Т5 закрыты, транзистор 77 открыт. Если же И2 станет равным Uь транзи­ сторы Т2 и Т5 начнут открываться, что приведет к возникнове­ нию лавинообразного процесса за счет положительной обрат­ ной связи через конденсатор С1 (отношение сопротивлений RJR3 меньше отношения R2/R5). В результате этого процесса

125

транзисторы Т2 и Т5 полностью откроются, а транзистор 77 за­ кроется. Благодаря цепи отрицательной обратной связи R3—Д / напряжение на входе транзистора 77 при этом также увеличи­ вается. Вследствие этого после перезаряда конденсатора С1 возникнет обратный лавинообразный процесс, в результате ко­ торого транзисторы Т2 и Т5 закроются, а транзистор 77 откро­ ется. После нового перезаряда конденсатора С1 транзисторы Т2 и Т5 вновь лавинообразно откроются и т. д.: импульсы на вы­

пературную погрешность, можно применить термостатирование. Однако термостат обычно представляет собой конструктивно сложный и энергоемкий узел. Фирма «Фэйрчайлд» (США) вы­ пускает ИС типа цА726, в которой термостатируется только кремниевая подложка, причем цепь термостатирования содер­ жится в самой ИС. Схема этой ИС показана на рис. 67. Измене­ ние температуры изменяет коллекторный ток триода Тб. Измене­ ние коллекторного напряжения этого триода через эмиттерный повторитель на транзисторе ТЗ и стабилитрон Ц1 переда­ ется на базу транзистора Т4 и изменяет его коллекторный ток. В результате изменяется мощность, рассеиваемая в транзисторе 77, которая и определяет температуру подложки. Стабилитрон Д2 обеспечивает постоянное напряжение на базе транзистора Тб. Температурная чувствительность коллекторного тока транзистора Тб определяется температурным изменением напряжения базаэмиттер транзисторов Т6иТ7 (примерно 2,2 мв/град). Транзистор Т5 обеспечивает ограничение коллекторного тока транзистора 77. Температура подложки, которую поддерживает схема терморе­ гулирования, может устанавливаться в пределах 60—110°С путем изменения сопротивления резистора Rn. Точность поддер­ жания температуры составляет примерно 3°С при изменении

126

зисторов Т1 и 72, расположенных на общей подложке ИС. На­ пример, дрейф нуля дифференциального однокаскадного усили­ теля, собранного на этих транзисторах, составляет всего лишь

0,2 мкв/град.

ИС типа цА726 иллюстрирует широкие возможности совер­ шенствования электронной аппаратуры при применении инте­ гральной технологии.

26. Операционные усилители и их характеристики

Рассмотренные в предыдущем параграфе линейные ИС пред­ назначены для различных более или менее конкретных приме­ нений. Операционный усилитель в этом смысле гораздо более универсален, на его основе могут быть построены самые разно­ образные электронные устройства. Поэтому более половины выпускаемых промышленностью за рубежом линейных ИС со­ ставляют операционные усилители.

Операционный усилитель — это усилитель постоянного тока (имеющий коэффициент усиления порядка нескольких тысяч или десятков тысяч), на основе которого, вводя в него разно­ образные обратные связи, можно выполнять устройства, реали­ зующие различные функции преобразования входного сигнала.

Схемы типичных интегральных операционных усилителей показаны на рис. 68, а (усилитель К1УТ401) и рис. 68,6 (усили­ тель К1УТ402). Обычно операционный усилитель содержит два дифференциальных усилительных каскада, каскад смещения напряжения и выходной каскад. Смещение напряжения необхо­ димо осуществлять для того, чтобы в исходном состоянии на­ пряжения на входах и выходе усилителя были одинаковыми. Это позволяет охватывать усилитель внешними обратными свя­ зями, не заботясь дополнительно о согласовании уровней по­ стоянного напряжения.

В усилителе К1УТ402 по сравнению с усилителем К1УТ401 увеличено входное сопротивление за счет применения составных транзисторов в первом каскаде. Кроме того, усилитель К1УТ402 имеет более высокий коэффициент усиления и меньшее выход­ ное сопротивление, чем усилитель К1УТ401.

На принципиальных схемах операционный усилитель обычно изображается в виде треугольника с обозначениями двух вхо­ дов и одного выхода. Один из входов усилителя, увеличение напряжения на котором приводит к увеличению напряжения на выходе, называется неинвертирующим и обозначается значком

«+ ». Второй вход называется инвертирующим («—»).

Параметры операционных усилителей довольно многочис­

ленны. Рассмотрим основные из них.

Коэффициент усиления (К) — отношение изменения выход­ ного напряжения к вызвавшему его изменению напряжения между входами усилителя.

127