Введение в электронику. Учебное пособие

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

3.3. Аналоговые ИМС

Операционный усилитель (ОУ) является наиболее типичным представителем аналоговых ИМС. Он принадлежит к классу усилителей напряжения, предназначенных для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами, например, усиления и ослабления электрических сигналов, а также для выполнения математических операций (дифференцирование или интегрирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование формы сигнала и др.). Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной иди отрицательной обратной связи, в состав которых входят различные линейные и нелинейные электронные элементы.

Условное обозначение ОУ, принятое в научно-технической литературе, и его проходная характеристика представлены на рисун-

ках 3.2, а и б.

ОУ имеет два входа: инверсный (u вх1) и прямой (uвх2). При подаче увеличивающегося напряжения на инверсный вход ОУ выходное напряжение uвых уменьшается, а при подаче увеличивающегося входного напряжения на прямой вход ОУ его выходное напряжение увеличивается. Следовательно, напряжение uвх1 инверсного входа

101

3. Интегральные микросхемы

и выходное напряжение uвых усилителя имеют сдвиг фазы на 180°. Для прямого входа ОУ сдвиг фазы напряжений между сигналами

uвх2 и uвых равен нулю.

ПитаниеОУобычноосуществляетсяотдвухисточников: Еп1 и Еп2. Проходная характеристика показывает, как изменяется выходное напряжение uвых при изменении входного Duвх = uвх1 – uвх2. Коэффициент усиления современных ОУ лежит в пределах Kус = 104–107 иногда и более. Входное сопротивление Rвх существующих ОУ составляет 106–108 Ом, а для специальных целей, например, в биомедицинских устройствах, — более 10 9 Ом. В необходимых случаях для ОУ с большим и сверхбольшим входным сопротивлением в схеме ОУ в качестве входных транзисторов используются описанные выше МОП-транзисторы.

Как видно из проходной характеристики, амплитуда выходного сигнала uвых всегда меньше чем величины положительного +Еп1 и отрицательного –Еп2 напряжений источников электропитания и составляютU вых– и U вых+ соответственно. Практически

(Еп – Uвыхmax) = (0,1–0,25) Еп.

ОУ предназначен для усиления постоянных и переменных напряжений. Из-за ограниченных частотных свойств транзисторов, входящих в схему ОУ, с повышением частоты усиливаемого напряжения происходит уменьшение коэффициента усиленияKус.

Типичный график частотной зависимости Kус усилителя приведен на рисунке 3.3.

Здесь Kус (0) соответствует коэффициенту усиления ОУ на достаточно низкой частоте (нулевой частоте усиливаемого сигнала). Частота fпр называется предельной, она соответствует значению ко-

102

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

эффициента усиления Kус = 1. Максимальной частоте fmax соответствует уменьшающийся с увеличением частоты выходной сигнал заданной величины, обычно равнойU = 0,7Uвых max. У современных ОУ частоты fпр лежат в диапазоне от десятков-сотен кГц до нескольких десятков МГц. В соответствии с этим, существуют высокочастотные и низкочастотные ОУ.

Практическое применение ОУ в электронных устройствах возможно только с использованием цепей обратной связи. Это обусловлено тем, что параметр Kус усилителей не задается конкретным фиксированным значением, а имеет довольно большой технологический разброс по верхнему пределу. Например, для ОУ типа 157УД1 задается норма: Kус > 104. Очевидно, электронные схемы усиления электрических сигналов с применением ОУ не могут быть использованы на практике, что накладывает определенные ограничения на разработку аналоговых электронных схем.

Для устранения этого недостатка разработаны схемы масштабных усилителей с применением цепей отрицательной обратной связью. Две схемы масштабных усилителей приведены на рисунках 3.4, а, б. Если требуется инвертирование входного сигнала, то применяется схема, приведенная на рисунке 3.4, а, а если требуется усиление входного сигнала без инвертирования, то на рисунке 3.4, б.

Коэффициент усиления по напряжению инвертирующего масштабного усилителя равен:

103

3. Интегральные микросхемы

а для неинвертирующего усилителя:

где знак «минус» в формуле (3.1) отображает функцию инвертирования входного сигнала, то есть инвертирующий масштабный усилитель имеет сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного на 180°.

Однако эти выражения справедливы при условии, что величины коэффициентов усиления Kус операционных усилителей, используемых в схемах, удовлетворяют условию

То есть в схемах масштабных усилителей коэффициент усиления KU схем будет всегда меньше, чем коэффициент усиления собственно ОУ, что необходимо учитывать при разработке аналоговых электронных схем. В этом случае необходимо применять ОУ с максимально возможным значением Kус. В номенклатуре известных выпускаемых ОУ имеются усилители с большими коэффициентами, доходящим до величин Kус = 106 и более. Поэтому выполнение условия (3.3) обычно вполне реализуемо и схемы масштабных усилителей нашли широкое применение на практике.

Очевидно, что величины KU приведенных схем зависят только от соотношения величин сопротивлений R1 и R2. Для схемы рисунка 3.4, а значение KU может быть изменено от нуля (приR2 = 0 или R1 = Ґ) до бесконечности (при R2 = Ґ или R1 = 0). Для схемы рисунка 3.4, б величина KU лежит в пределах от 1 (приR2 = 0 или R1 = Ґ) до бесконечности (при R2 = Ґ или R1 = 0). Если схема рисунка 3.4, б имеет KU = 1, то эта схема называется повторителем напряжения входного сигнала.

Основные параметры операционных усилителей:

—коэффициент усиления на постоянном напряжении Kус(0);

—входное сопротивление Rвх;

—максимальная частота усиления входного сигнала fmax;

—предельная частота усиления входного сигнала fпред;

—максимальная амплитуда выходного сигнала U выхmax , U вых+ max ;

—максимальный выходной ток Iвых.

104

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Компаратор — это интегральная микросхема, предназначенная для сравнения двух входных напряжений, осуществляет выдачу результата сравнения в виде логического сигнала. То есть функционально компаратор по входным сигналам является аналоговым элементом, а по выходу — логическим.

Основу компаратора составляет интегральный ОУ с большим Kус. Схема включения компаратора, его условное обозначение и временные диаграммы его работы показаны на рисунке 3.5,а, б соответственно.

Рисунок. 3.5 — Схема включения (а)

и временные диаграммы работы (б) компаратора

Рассмотрим случай работы компаратора, когда на его инверсный вход подается напряжение uвх1 произвольной формы, а на прямой вход — напряжение uвх2 = Uвх2. В общем случае напряжение на прямом входе также может быть произвольной формы.

Как видно из временных диаграмм (рисунок 3.5, б), выходное напряжение uвых будет иметь единичный уровень U вых1 , когда разность напряжений между инверсным и прямым входами положительна. Если разность этих напряжений отрицательна, то uвых = uвых =U Это описывается уравнением вида:

Компараторы применяются для преобразования входных аналоговых сигналов в выходные логические (цифровые). Поэтому одним из важнейших параметров компаратора является его быстродействие, то есть время задержки распространения импульса входного

105

3. Интегральные микросхемы

сигнала DUвх = Uвх1 – Uвх2. Иногда это время называют временем переключения компаратора tпер, или временем нарастания (установления) выходного напряжения. Время переключения существенно зависит от уровня сигнала DUвх, что иллюстрируется временными диаграммами переходных характеристик на рисунке 3.6, а, построенных для входных напряжений: DUвх1 > DUвх2.

На графике рисунка 3.6, б приведена зависимость времени переключения компаратора tпер от величины скачка входного напряжения DUвх. Они показывают уменьшение времениtпер с увеличением амплитуды напряжения DUвх. Так как время изменения напряжения аналогового сигнала обычно достаточно велико, то в первую очередь при реализации быстродействующих устройств, к которым относятся аналого-цифровые преобразователи (АЦП), необходимо улучшать временные характеристики компаратора.

Duвх

а)

Рисунок 3.6 — Временные характеристики компаратора

В схемах компараторов обычно не применяют отрицательную обратную связь, так как она уменьшает коэффициент усиления и вызывает снижение быстродействия, то есть увеличение времени tпер.

Положительная обратная связь иногда применяется для устранения «дребезга» уровня выходного напряжения в моменты переключения компаратора, когда длительности фронтов и спадов входных аналоговых сигналов имеют нерегулярный характер с наложением кратковременных импульсов помехи.

106

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

3.4. Логические ИМС

Логические ИМС являются основными и наиболее важными базовыми элементами, на базе которых строятся сложные вычислительные устройства и системы, включая компьютеры. На рисунке 3.7 приведены примеры условных обозначений основных логических элементов с указанием вариантов терминов, принятых в информатике.

Рисунок 3.7 — Основные типы логических базовых элементов

В соответствии с общепринятыми обозначениями, логические функции X1 и X2 являются входными сигналами элементов, а Y — выходным сигналом. Количество входов X может быть различным, у существующих логических элементов оно лежит в пределах от 1 до 16. Символ «&», показанный внутри логического элемента, означает логическую функцию «И», а символ «1» — функцию «ИЛИ». Кружок, которому подключен выходной сигнал Y, показывает, что данный элемент осуществляет функцию «НЕ», то есть логическую инверсию входных сигналов. Если кружка нет, то этот элемент не выполняет функцию инверсии. Поэтому в общем случае выходов у логического элемента может быть два: прямой и инверсный. В показанных логических функциональных выражениях черта вверху означает, что приведенный элемент выполняет функцию инверсии.

Временные диаграммы работы показанных на рисунке 3.7 базовых логических элементов приведены на рисунке 3.8.

Один из важнейших параметров логических элементов — их быстродействие. Поэтому требуется рассмотреть принципы нормирования времени задержки распространения выходных сигналов через логическую ИМС относительно входного сигнала. Специфика этого вопроса заключается в том, что реальные длительности фронтов

107

3. Интегральные микросхемы

и спадов логических сигналов, циркулирующих в вычислительной структуре, имеют конечную длительность. Поэтому возникает вопрос: на каких уровнях напряжений логических сигналов измерять их временные параметры?

Рисунок 3.8 — Временные диаграммы работы базовых логических элементом

Внастоящее время принята стандартная временная диаграмма,

вкоторой время задержки распространения сигналов через логи-

ческий элемент принято определять на уровне 0,5 Uвх и 0,5Uвых. Эта методика иллюстрируется временными диаграммами работы логического инвертора вида НЕ (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 — Стандартная временная диаграмма измерения времени задержки сигнала в логическом элемента И-НЕ

108

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Инерционность полупроводниковых приборов, входящих в схему элемента, приводит к появлению задержки распространения сигнала: tзд1,0 — при переходе выходного сигнала из единичного в нулевой уровень и tзд0,1 — при переходе из нулевого уровня в единичный.

Это наравне с задержками вызывает изменение длительности выходного импульса tи вых по отношению к длительности входного импульса tи вх, что во многих случаях может обусловить неработоспособность быстродействующей электронной аппаратуры, что особенно значимо при высоких частотах преобразования информации.

Методика, рассмотренная для элемента НЕ, в полной мере относится к любым другим логическим элементам, в том числе и к сложным функциональным узлам, реализованным на них.

В современной электронике применяются два вида логических ИМС: биполярные и КМОП, которые отличаются видами полупроводниковых структур, на которых реализуются электронные схемы. Очевидно, что первые из них основаны на использовании биполярных транзисторов и p-n переходов, вторые — на применении МОП-транзисторов с изолированным затвором. Как те, так и другие логические ИМС имеют свои преимущества и недостатки, которые будут рассмотрены далее. В настоящее время в зависимости от предъявляемых требований в вычислительных приборах и системах, в частности, в компьютерах, используются как биполярные ИМС, так и КМОП. Это обусловлено спецификой функционирования и различием параметров биполярных и МОП-транзисторов, которая была рассмотрена в разделе 2.2.

Биполярные логические ИМС явились первыми интегральными микросхемами, которые стали применяться в разнообразных вычислительных приборах и системах. В вычислительной технике наибольшее распространение получили биполярные логические ИМС типа ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Исторически такое название связано с тем, что ранее существовали другие типы биполярных ИМС, которые в настоящее время не применяются из-за их недостатков. Рассмотрим работу ТТЛ-инвертора, реализующего логическую функцию 2И-НЕ. Его принципиальная схема и временные диаграммы работы приведены на рисунках 3.10, а, б соответственно.

Здесь для упрощения и наглядности рассмотрения процессов работы инвертора принято, что транзисторы безынерционны, време-

на задержки: tзд0,1 = 0 и tзд1,0 = 0, а падения напряжения на включенных полупроводниковых элементах инвертора пренебрежимо малы.

109

3. Интегральные микросхемы

Eп = +5 В

а)

б)

Рисунок 3.10 — Схема логического ТТЛ инвертора (а) и временные диаграммы (б) его работы

Наличие на входе X1 инвертора сигнала нулевого уровня uвх =U вх0 эквивалентно замыканию этого входа на общий полюс схемы. При этом примем, что на второй вход X2 подается единичный уровень напряжения, и он не влияет на работу схемы. Вследствие этого появля-

110