Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебное пособие
.pdf
В серийных ИМС довольно часто используется подобный
1
принцип построения фильтров.
Рис. 7.19. Универсальный активный фильтр
7.3.2. Гираторы
Гиратором называется электронное устройство, преобразующее полное сопротивление реактивных элементов. Обычно
это преобразователь емкости в индуктивность, т.е. эквивалент
индуктивности. Иногда гираторы называют синтезаторами
индуктивностей. Широкое распространение гираторов в ИМС
объясняется большими трудностями изготовления катушек
индуктивностей с помощью твердотельной технологии. Использование гираторов позволяет получить относительно
большую индуктивность с хорошими массогабаритными показателями.
На рис. 7.20 приведена электрическая схема одного из
вариантов гиратора, представляющего собой повторитель на
ОУ, охваченный частотно-избиратель-
è
íîé ÏÎÑ (
oc
Ñ ).
Поскольку с увеличением частоты
сигнала емкостное сопротивление конденсатора
ние в точке
Ñ уменьшается, то напряже-
1
à будет возрастать. Вместе с
ним будет возрастать напряжение на
выходе ОУ. Увеличенное напряжение с
выхода по цепи ПОС поступает на неинвертирующий вход, что приводит к
Рис. 7.20. Гиратор
141
дальнейшему росту напряжения в точке à, причем тем интен-
1
сивнее, чем выше частота. Таким образом, напряжение в точ-
à ведет себя подобно напряжению на катушке индуктивно-
ке
сти. Синтезированная индуктивность определяется по формуле [12]:
LRRC= .
1oc
Добротность гиратора определяется как [12]:
0,5 /QRR= .
1oc
Одной из основных проблем при создании гираторов является трудность в получении эквивалента индуктивности, у
которой оба вывода не соединены с общей шиной. Такой гиратор выполняется, как минимум, на четырех ОУ. Другой
проблемой является относительно узкий диапазон рабочих
частот гиратора (до нескольких килогерц на ОУ широкого
применения).
7.3.3. Регуляторы тембра и эквалайзеры
Для коррекции АЧХ в усилителях низких (звуковых)
частот (УНЧ) применяют регуляторы тембра. В настоящее
время наиболее часто применяют активные регуляторы тембра, не вносящие потери в нейтральном положении регулятора (равномерная передача во всей полосе рабочих частот).
В качестве активных элементов чаще всего используют ОУ.
Принципиальная схема симметричного активного регулятора
тембра и его АЧХ приведены на рис. 7.21.
Рис. 7.21. Симметричный активный регулятор тембра
142
Нетрудно увидеть, что ОУ здесь охвачен цепями ООС,
R
R
±
R
R
представляющими собой частотно-зависимые делители напря-
,,,
жения нижних (
RRC) и верхних (
1231
При диапазоне регулирования тембра не более
,,
RC) частот.
452
20 äÁ ýëå-
менты схемы можно определить из соотношений [9]:
0,11 (êÎì)RR= ,
12
0,33
41
f è âf – соответственно нижняя и верхняя частоты ре-
ãäå
í
R= ,
C
1
C
=
2
(Ãö) (êÎì)
fR
â2
159 10
=
(Ãö) (êÎì)
fR
í2
4,34 10
⋅
⋅
3
⋅
⋅
6
(íÔ)
(íÔ)
,
,
52
R= ,
31
3,7RR≥ ,
гулирования.
Регулирование АЧХ УНЧ в нескольких отдельных участках частотного диапазона осуществляется с помощью
лайзеров
, которые преимущественно представляют собой
ýêâà-
активные регулируемые ПФ второго порядка. Пример построения эквалайзера с параллельными цепями ООС, представляющими собой ПФ с регулируемым затуханием и настроенные на частоты через октаву, начиная с
f , приведен
í
íà ðèñ. 7.22.
Рис. 7.22. Десятиполосный эквалайзер
Более подробная информация по регуляторам тембра и
эквалайзерам содержится в [9].
143
7.4. Аналоговые перемножители сигналов
x
y
ϕ
Перемножение аналоговых сигналов, как и усиление, является одной из основных операций при обработке электрических сигналов. Для осуществления операции перемножения
были разработаны специализированные ИМС – перемножители аналоговых сигналов (ПАС). ПАС должны обеспечивать
точное перемножение в широком динамическом диапазоне
входных сигналов и в возможно более широком частотном
диапазоне. Если ПАС позволяют перемножать сигналы любых полярностей, то их называют четырехквадрантными,
если один из сигналов может быть только одной полярности,
– двухквадрантными. Перемножители, умножающие однополярные сигналы, называются одноквадрантными. Известны
разнообразные одно- и двухквадрантные ПАС на основе элементов с управляемым сопротивлением, переменной крутизной, использованием логарифматоров и антилогарифматоров.
Например, регулятор с изменением режима работы элементов,
изображенный на рис. 7.7, â, можно использовать в качестве
перемножителя, если на дифференциальный вход подать напряжение
u , а вместо
Å подать
óïð
u
. Под воздействием yu
меняется крутизна передаточной характеристики транзисторов, на базы которых подается второе перемножаемое напряжение
u . Можно показать, что выходное напряжение
x
U ,
âûõ
снимаемое между коллекторами транзисторов ДК, при
RRR== определяется по формуле [13]:
ê1 ê2 ê
u
x
−
ϕ
uu
=α
ãäå
α=
0
1HH
+
U
21ý
21ý
2
âûõ 0
– коэффициент усиления по току БТ, вклю-
ченного по схеме с ОБ;
25,6 ìÂϕ= .
ò
Åñëè
u ϕ , то выражение для
òx
R
xy
ê
ϕ
R
T
– температурный потенциал,
ò
ò
e
12
+
(1 e )
U можно упростить:
âûõ
,
u
x
−
2
ϕ
ò
144
UuuR
=
x
xy
âûõ ê
xy
2
1
R≈ϕ
ò2
.
Недостатком рассмотренного простейшего перемножителя
на одиночном ДК является весьма малый динамический диапазон входных сигналов, в котором обеспечивается приемлемая точность перемножения. Например, уже при
u
ϕ
x
ò
0,1
погрешность перемножения достигает 10%.
Более широкий динамический диапазон перемножаемых
напряжений при меньшей погрешности обеспечивают логарифмические перемножители, построенные по принципу «логарифмирование – антилогарифмирование». Схема подобного
ПАС приведена на рис. 7.23.
Рис. 7.23. Логарифмический перемножитель
Здесь ОУ DA1 и DA2 производят логарифмирование
входных напряжений, а DA3 используется в качестве сумматора, на выходе которого напряжение
(ln ln ) ln
01 2
Uk Ukuu==
âûõ 3 0 3
yxy
anti ln
.
С помощью
Uk u u k uu=+= .
ÎÓ DA4 производят антилогарифмирование:
Следует заметить, что в данных выражениях используются напряжения, нормированные относительно 1 В. Коэффициенты пропорциональности
k , 2k ,
1
k определяются рези-
3
стивными элементами, включенными в цепи ООС используемых ОУ. Большим недостатком подобных ПАС является
сильная зависимость диапазона рабочих частот от амплитуд
145
входных сигналов. Так, если при входном напряжении
10 В верхняя частота перемножаемых напряжений может составлять 100 кГц, то при входном напряжении 1 В полоса
рабочих частот сужается до 10 кГц [13].
Принцип логарифмирования и антилогарифмирования
используется в наиболее распространенном способе построения четырехквадрантных ПАС с нормировкой токов, которые
обладают наилучшей совокупностью таких параметров, как
линейность, широкополосность, температурная стабильность.
Обычно они имеют дифференциальные входы, что расширяет
их функциональные возможности. Перемножители с нормировкой токов выполняются по интегральной полупроводниковой технологии.
Упрощенная принципиальная схема ИМС ПАС с нормировкой токов типа 525ПС1 приведена на рис. 7.24.
Рис.7.24. Упрощенная схема ИМС перемножителя 525ПС1
Устройство содержит сложный дифференциальный каскад на транзисторах VT7,…,VT10. Перекрестные связи коллекторов этих транзисторов обеспечивают инверсию сигналов,
необходимую для четырехквадрантного умножения. Входные
146
каскады на транзисторах VT3,…,VT6 и VT11,…,VT14 преобра-
x
X
X
I
X
I
X
R
I
Y
R
R
R
R
зуют входные напряжения
u è yu в токи. С помощью тран-
зисторов в диодном включении VT1 и VT2 происходит логарифмирование токового сигнала по входу Y. Антилогарифмирование сигнала Y и умножение его на сигнал X осуществляется усилителем на транзисторах VT7,…,VT10.
В рассматриваемом устройстве связь между входными и
выходными сигналами может быть представлена в виде отношения токов. Выходной ток перемножителя определяется
соотношением [12]:
22
IUU
YXY
II RR
YXY
pp
è
ãäå
R ;
Y
II
=− ≈ ,
p
ZX
è
I – токи, протекающие через резисторы
Y
è pYI – рабочие токи в каналах X и Y.
pX
Выходное напряжение, снимаемое с одного из сопротивлений нагрузки, равно [12]
IR UUR
ZXY
ãäå
UIU KUU
=== = ,
ZZZ X
2
R
K
= – масштабный коэффициент.
í
IRR
p
YXY
Все приведенные на рис. 7.24 резисторы, кроме
2
íí
2
IRR
p
YXY
1
è
,
2
являются внешними. Их выбор зависит от конкретных требований к ПАС.
Для получения на выходе ПАС нулевого напряжения при
равных нулю входных напряжениях предусмотрена подстройка с помощью переменных резисторов
4
è
. Åñëè
5
перемножитель работает только при одной полярности одного
из входных сигналов, то он называется смещенным. Для превращения четырехквадрантного ПАС в смещенный достаточно
на один из входов подать такое постоянное смещение, при
котором сигналы на этом входе всегда оказываются меньше
напряжения смещения.
Возможности реализации разнообразных устройств электронной аппаратуры на перемножителях иллюстрирует
рис. 7.25.
147
à
âãä
å
á
æ
è ê
Рис. 7.24. Схемы аналоговых электронных устройств на основе
ÏÀÑ: à – перемножитель напряжений; á – делитель напряжения;
â – удвоитель частоты; ã – делитель частоты; ä – балансный
модулятор; å – балансный демодулятор; ж – амплитудный модулятор;
è – компрессор; ê – экспандер
Принцип работы этих устройств ясен из приведенных
схем и расчетных соотношений, пояснения, пожалуй, требует
лишь схема удвоителя частоты (рис. 7.25, â). Если на оба
входа перемножителя подают напряжение одной и той же
частоты, то на выходе ПАС напряжение подчиняется следующему тригонометрическому тождеству:
148
1
(sin2 )
2
ftππ=− .
22
sin2 (2 )
ft
Из приведенного выражения видно, что любая входная
частота f будет удваиваться при прохождении через устройство возведения в квадрат либо делиться на два при прохождении через извлекатель корня квадратного (рис. 7.25, ã). Более
подробная информация о ПАС содержится в [12].
7.5. Компараторы
Компаратором называется устройство, позволяющее осуществить сравнение измеряемого входного напряжения
опорным напряжением
U . Алгоритм работы компаратора
îï
U ñ
âõ
описывается выражениями:
UU= , åñëè âõU <
âûõ
1
U ,
îï
UU= , åñëè âõU >
âûõ
0
U .
îï
Простейшая схема компаратора и его передаточная характеристика представлены на рис. 7.26.
à á
Рис. 7.26. Простейший компаратор
Вследствие большого коэффициента усиления ОУ на его
выходе получается последовательность практически прямоугольных импульсов, причем положение моментов переклю-
U =
чения соответствует равенству
поменять местами, то
U поменяет знак. Входные диоды
âûõ
U . Если входы ОУ
âõ
îï
149
служат для защиты ОУ от большого дифференциального
входного напряжения. Выходное напряжение компаратора
может быть использовано для управления каким-либо устройством, например широтно-импульсным модулятором. При
U = 0 получим так называемый нуль-индикатор или детек-
îï
тор нулевого уровня.
Из-за конечного значения коэффициента усиления компаратора возможно плавное нарастание
U (ðèñ. 7.27, à).
âûõ
à
á
â
Рис. 7.27. Компаратор с ПОС
Если плавное срабатывание нежелательно, то применяют
компаратор на основе ОУ с цепью ПОС (рис. 7.27, á). Если
опорное напряжение не подается, то такой компаратор называют еще триггером Шмитта. Как видно из рис. 7.27, â, такой
компаратор обладает гистерезисом, что объясняется наличием
цепи ПОС. Переключение схемы в состояние
U происходит
2
при достижении входным напряжением уровня срабатывания
U , а возвращение в исходное состояние
ñð
снижении входного напряжения до уровня отпускания
UU= – ïðè
âûõ 1
U .
îòï
Значения входных пороговых напряжений и ширина зоны
гистерезиса определяются по формулам:
ñð 2 1 1 2
ãèñ ñð îòï 1 2 1 1 2
/( )UURRR=+,
îòï 1 1 1 2
()/()UUU RUURR=− = − +.
/( )UURRR=+,
Пороги срабатывания делают схему нечувствительной к
шумам, которые всегда присутствуют во входном сигнале, и
тем самым исключают ненужные переключения под действием
шумов, т.е. устраняют
так называемый «дребезг» контактов.
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]