Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех»

СЕРИЯ:

“ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ”

АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И ОСОБЕННОСТИ

ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Учебное пособие

Допущено УМО ВУС ВМФ в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по программам подготовки офицеров запаса ВМФ ракетного профиля

Санкт-Петербург

2009

Авторы: В.А.Веселов, проф.; О.С.Ипатов, проф.; В.В.Гаврилов,

гл. констр.; С.О.Ершов, канд. техн. наук, доц.; А.Г.Елисеенко, доц.; С.А.Певишев, канд. техн. наук, доц.; В.А.Керножицкий, канд. техн.

наук, доц.

УДК (621.375+621.314.037.33) (075.8)

А64

Аналоговые микросхемы преобразователей элек- А64 трических сигналов и особенности их применения / В.А. Веселов [и др.]; Балт. гос. техн. ун-т – СПб., 2009.

– 161 с. Сер.: «Элементы аналоговых систем автоматики и их применение»

ISBN 978-5-85546-454-2

Рассматриваются усилительные устройства и аналоговые преобразователи электрических сигналов на основе операционных усилителей. Излагаются принципы построения и особенности схемотехнических решений устройств как элементов сложных электронных систем.

Предназначено для студентов специальностей 160403, 230102, 230201.

УДК (621.375+621.314.037.33) (075.8)

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.В.Ефимов, д-р техн.

наук В.Н. Киселев

2

ВВЕДЕНИЕ

Существующее семейство коммерчески доступных микросхем столь обширно, что позволяет строить на их основе практически любые электронные устройства. При этом задачи синтеза сло ж- ных устройств сводятся к обыкновенному выбору набора микросхем и их соединению в единую систему. Отсюда возникает, в частности, необходимость повышения содержания технических характеристик микросхем и возможностей воздействия на них навесных элементов. При таком подходе необходимо знать принципы действия аналоговых микросхем разного назначения, а также иметь достаточно общее представление о схемотехнике их построения. Именно такой подход и заложен в основу данного пособия.

Авторы искренне благодарны канд. техн. наук А.П. Бочарову за большую помощь в создании этой работы.

1. ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

1.1. Преобразователи тока в напряжение

Для преобразования неэлектрических величин в электрические сигналы используют специальные устройства – измерительные преобразователи (датчики). Условно их можно разделить на датчики с низко- и высокоомным выходом. В первом случае для усиления снимаемых с их выхода электрических сигналов служат линейные усилители напряжений. Во втором – это могут быть как усилители напряжений, так и усилители зарядов, а также преобразователи тока в напряжение. Все эти разновидности усилителей основаны на операционных усилителях.

Самыми распространенными в семействе высокоомных датчиков являются фотодиоды, широко используемые в следующих областях техники:

•медицине: томография, анализаторы состава крови;

•оптике: фотометрия, автофокусировка, управление вспыш-

кой;

•автомобилестроении: детекторы внешней освещенности, управление передним светом;

3

•промышленности: сканеры кодовых этикеток, датчики положения, лазерные принтеры;

•связи: приемники с оптическими кабелями.

Как известно, фотодиоды можно применять в двух режимах работы. В одном из них, называемом фотогенераторным, p-n-

переход засвечивается световым потоком интенсивностью ϕ. В результате на выходных зажимах фотодиода наблюдается напряжение. Вольт-амперные характеристики диода в фотогенераторном режиме представлены на рис. 1.1, а (квадрант IV).

Максимальное напряжение на выходных зажимах фотодиода в фотогенераторном режиме наблюдается в режиме холостого хода при бесконечно большом сопротивлении резистора, подключенного к зажимам. Величина максимального напряжения зависит от

интенсивности светового потока ϕ, засвечивающего p-n-переход. Этой ситуации соответствует луч 0–2 на поле вольт-амперных ха-

рактеристик фотодиода (рис. 1.1, а). Зависимость фото-ЭДС от ϕ нелинейная.

При уменьшении сопротивления нагрузки, подключенной к зажимам фотодиода R2 < R1 (квадрант IV вольт-амперных характеристик), фотодиод обеспечивает ток в нагрузке. При этом с о-

4

противление на его выходных зажимах уменьшается, а линейность преобразования увеличивается.

В режиме короткого замыкания выводов (луч 0–1 вольтамперной характеристики) световой поток преобразуется не в напряжение, а в ток. Линейность преобразования интенсивности светового потока в ток при этом максимальная. Минимальный ток

фотодиода в генераторном режиме при ϕ=0 определяется очень малым тепловым шумовым током внутреннего сопротивления фотодиода. В результате высоколинейная зависимость фототока

от интенсивности светового потока ϕ обеспечивается в чрезвычайно широком диапазоне (порядка 7...9 декад). Ток фотодиода может меняться от единиц пикоампер до десятков миллиампер. В табл. 1.1. приведена зависимость фототока от интенсивности светового потока для одного из типов фотодиода.

Таким образом, короткое замыкание фотодиода в генераторном режиме обеспечивает максимальную линейность в большом динамическом диапазоне изменения светового потока. Недостатком является сравнительно низкое быстродействие. Это связано с увеличенной емкостью прямо смещенного p-n-перехода фотодиода.

Быстродействие фотодиода можно увеличить, если уменьшить емкость p-n-перехода. Это легко достигается обратным смещением p-n-перехода фотодиода (рис. 1.1, а, квадрант III).

Увеличение обратного напряжения, прикладываемого к зажимам фотодиода, увеличивает протяженность p-n-перехода – расстояние между обкладками эквивалентного конденсатора, что обусловливает уменьшение емкости перехода и увеличение быст-

5

родействия. Обратное напряжение вызывает ток проводимости через обратно смещенный p-n-переход. Зависимость этого тока от интенсивности светового потока менее линейна. Динамический диапазон зависит от сопротивления нагрузки Rн (рис. 1.1, б), подключенного к выходным зажимам фотодиода. Он максимален при Rн = 0 (рис. 1.1, а, квадрант III).

Таким образом, и в том, и в другом режимах для преобразования светового потока в электрический сигнал используется понятие "короткое замыкание". Следует понимать, что в случае фотогенераторного режима речь идет о коротком замыкании выводов диода, а во втором случае – о коротком замыкании нагрузки.

Оба этих варианта реализуются подключением фотодиода к входу операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Как известно, в случае идеальных операционных усилителей потенциал точки А обеих схем UА = 0. С учетом бесконечно большого дифференциального входного сопротивления операционных усилителей их сигнальный входной ток равен нулю: Iс = 0. Отсюда, если пренебречь входным током смещения операционного

усилителя Iсм(–) = 0, получаем Iфд = Iос, или Iфд = (UА – Uвых)/Rос =

= (0 – Uвых)/Rос = – Uвых/Rос , или

Таким образом, схемы на рис. 1.2 являются преобразователями тока в напряжение с коэффициентом преобразования

6

Здесь знак "минус" означает инверсию знака выходного сигнала по отношению к входному.

Поскольку отрицательная обратная связь в схемах снимается по напряжению, то в идеальных преобразователях тока в напря-

жение (усиление операционного усилителя Ku → ∞) выходное сопротивление схем оказывается практически равным нулю.

При включении фотодиодов по схеме рис. 1.2 высокое внутреннее сопротивление фотодиодов (порядка 100 кОм... 100 ГОм), зависящее от температуры, не влияет на качество работы идеальных преобразователей тока в напряжение, поскольку оно закорачивается из-за наличия отрицательной обратной связи.

В преобразователях "ток – напряжение" (ПТН), выполняемых на реальных операционных усилителях, наблюдаются ошибки преобразования. Во-первых, это погрешность из-за конечного

входного тока сигнала Iсм(–) ≠ 0.Даже притоке фотодиода I фд = 0 на выходе преобразователя наблюдается остаточное напряжение сдвига

Во-вторых, погрешность возникает из-за входного напряжения сдвига Uвх сд операционного усилителя. При этом выходное напряжение сдвига

Как следует из ( 1.5) и ( 1.6), для измерения световых потоков слабой интенсивности необходимы специальные операционные усилители с малым Iсм(–), гораздо меньшим Iфд min, и малыми Uвх сд.

7

В практической схемотехнике для этих целей используют электрометрические усилители, у которых Iсм(–) = 1 пА ...100 фА при входном напряжении сдвига Uвх сд ≈ 200 мкВ и его температурном дрейфе 1... 5 мкВ/°С.

При комнатной температуре внутреннее сопротивление фотодиода велико и практически не влияет на точность преобразования, при повышении температуры интенсивно уменьшается. Это приводит к увеличению ошибки преобразования (см. соотноше-

ния (1.4) и (1.5)).

Таким образом, при комнатной температуре корпуса фотодио-

да можно считать, что Uвых сд = Uвх сд + Iсм(–) Rос, а при повышенных температурах

Как следует из (1.7), при использовании преобразователей тока в напряжение в качестве предусилителей сигналов с датчиков, имеющих конечное, пусть и высокое, выходное сопротивление, погрешность обработки сигнала увеличивается.

Измерение малых освещенностей обусловливает большие сопротивления резисторов Rос. Это означает увеличение шумов в подобных измерительных схемах. Как известно увеличение Rос

вдвое приводит к увеличению шума в 2 раз, поэтому необходимо применять в подобных схемах специальные низкошумящие сопротивления.

Помимо инвертирующих преобразователей "ток – напряжение" возможны и неинвертирующие. Достаточно схему рис. 1.2 дополнить инвертирующим усилителем напряжения (рис. 1.3).

+

Uвых

Рис. 1.3

8