Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010
.pdf
2.Какими мерами обеспечивается повышение быстродействия переключателя тока на биполярных транзисторах с объединенными эмиттерами?
3.Чем отличается электронный ключ на МДП-транзисторах с нелинейным резистором от аналогичного ключа с квазилинейным резистором?
4.Почему ключ на комплементарных парах МДП-транзисторов практически не потребляет мощности в установившемся режиме?
5.Какую логическую функцию можно реализовать на ТТЛмикросхеме? Опишите работу такой микросхемы с простым инвертором.
6.Как реализуются логические функции ИЛИ-НЕ и ИЛИ на микросхемах ЭСЛ и ЭЭСЛ?
7.Какую логическую функцию можно реализовать при последовательном включении ключевых МДП-транзисторов с п-каналом? А какую логическую функцию можно реализовать при параллельном включении этих транзисторов?
8.Как работают микросхемы на КМДП-транзисторах, реализующие функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ?
________
71
Часть 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ
3. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ
УСИЛИТЕЛЯХ
3.1. Применение интегральных операционных усилителей в аналоговых устройствах
В классической электронике операционным усилителем принято называть линейный преобразователь, при помощи которого можно осуществить различные математические операции — суммирование, вычитание, логарифмирование, интегрирование, дифференцирование и др. Это и определило название таких усилителей — операционные (решающие), на основе которых путем введения обратных связей можно производить математические операции. Для повышения точности выполняемых математических операций необходимо построить усилитель так, чтобы он имел следующие основные параметры:
•возможно больший коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой цепи обратной связи;
•высокую стабильность характеристик, в особенности коэффициента усиления;
•малое выходное сопротивление и большое входное;
•низкий уровень линейных и нелинейных искажений. Интегральные операционные усилители (ИОУ) представляют
собой высококачественные прецизионные усилители, удовлетворяющие указанным требованиям значительно более полно, чем их дискретные аналоги. Причем такие усилители, являясь универсальными и многофункциональными элементами, используются не только (и даже не столько) для выполнения математических операций (т.е. в качестве действительно операционных усилителей), но и для усиления, преобразования, обработки, детектирования и фор-
72
мирования сигналов. Большое число как линейных, так и нелинейных устройств можно построить на основе ИОУ путем соответствующих коммутаций внешних цепей обратных связей. Поэтому по своему назначению и характеру применения ИОУ относятся к классу аналоговых микросхем универсального назначения [1].
ИОУ широко применяются в качестве усилителей постоянных сигналов. Особенности таких усилителей рассматриваются в п. 3.3, а в пп. 3.6 и 3.7 дается описание импульсных и широкополосных усилителей, целиком реализованных на ИОУ.
ИОУ составляют основу современных активных фильтров различного назначения, в том числе и избирательных усилителей, которые представлены в пп. 3.4 и 3.5. Они применяются в радиотехнических трактах для амплитудной, частотной, широтноимпульсной модуляций, а также для демодуляции.
Применяются ИОУ в стабилизаторах напряжений (см. п. 4.4) и источниках опорного напряжения. ИОУ является основным функциональным узлом аналоговых вычислительных и моделирующих устройств, которые широко используются для математического моделирования различных явлений и процессов. В подобных устройствах на основе ИОУ строят сумматоры, вычитатели, умножители, интеграторы, дифференциаторы и т.д. Включением транзисторов и диодов в цепь передачи сигнала обратной связи можно построить логарифмирующий и антилогарифмирующий усилители.
ИОУ получили широкое применение в аналоговых преобразователях, при помощи которых производят преобразование различных электрических величин. Так, охватив ИОУ глубокой обратной связью по току, можно преобразовать напряжение в ток, а при обратной связи по напряжению, наоборот, ток в напряжение. Преобразование импедансов производят посредством реактивных обратных связей. Можно существенно увеличить эффективные значения сопротивления резисторов и емкости конденсаторов, охватив их обратной связью при помощи ИОУ.
Наряду с аналого-цифровыми микросхемами ИОУ широко применяются в релаксационных генераторах и формирователях импульсов.
73
ИОУ обычно состоят из входного каскада, каскадов усиления, каскада сдвига потенциального уровня и выходного каскада, образующих усилитель с непосредственными связями между каскадами (как в большинстве аналоговых ИМС). В большинстве выпускаемых ИОУ на входе включается дифференциальный каскад, применение которого приводит к повышению стабильности выходного потенциала (благодаря низкому уровню дрейфа) и расширению функциональных возможностей усилителя (как результат наличия двух входов: инвертирующего и неинвертирующего).
В ИОУ с низким коэффициентом усиления ограничиваются усилением сигнала входным каскадом, что в большинстве случаев оказывается недостаточным. В более сложных микросхемах для повышения коэффициента усиления применяют дополнительные каскады, представляющие собой каскады с однофазным выходом. К выходу каскадов усиления подключается каскад сдвига потенциального уровня, который обеспечивает установление на выходе усилителя потенциала, равного входному потенциалу (в отсутствии усиливаемого сигнала). Выходной каскад представляет собой усилитель мощности и предназначен для согласования усилителя с нагрузкой.
Для питания ИОУ обычно используют два разнополярных источника, позволяющих получить выходной потенциал, равный нулю, т. е. потенциалу общей шины питания. Потенциал входных зажимов также равен нулю, что облегчает непосредственное соединение отдельных микросхем между собой. ИОУ допускает подключение внешних цепей обратной связи между различными точками микросхемы, благодаря чему разработчик может обеспечить выполнение самых разнообразных функций при помощи одного и того же ИОУ.
ИОУ изготавливаются в монолитном и гибридном исполнении. Монолитные ИОУ выполняются как по полупроводниковой, так и по совмещенной технологиям.
Операционные усилители характеризуются теми же параметрами, что и обычные усилители.
Одним из основных параметров ИОУ, как и всякого усилителя, является коэффициент усиления парафазных (дифференциальных)
74
сигналов Kис. ИОУ обладают достаточно высоким коэффициентом усиления: как правило, Kис около нескольких тысяч. У современных образцов ИОУ коэффициент усиления достигает нескольких миллионов. ИОУ обладают достаточно высоким входным и низким выходным сопротивлением. Наименьшее значение Rвх составляет десятки килоом, а в усилителях с повышенным входным сопротивлением достигает 1011–1012 Ом. Выходное сопротивление обычно не более десятков и сотен ом.
ИОУ обеспечивают усиление сигналов в полосе нескольких мегагерц и даже сотен мегагерц. Скорость нарастания выходного напряжения VUвых, определяемая наибольшей крутизной нарастания фронта или среза выходного сигнала, у быстродействующих усилителей достигает 1000 В/мкс и более.
Для характеристики ИОУ как усилителя постоянных сигналов применяются те же параметры, что и для дифференциальных усилителей (см. [4], п. 1.4). Для различных типов ИОУ эти параметры имеют следующие значения: коэффициент ослабления синфазных входных напряжений Kос.сф = 60÷120 дБ, коэффициент влияния нестабильности напряжений источников питания Kвл.и.п = (5÷60) мкВ/В; входной ток смещения Iвх.см = (0,1÷100) нА; приведенный ток сдвига нуля Iвх.сд = (0,01÷50) нА; приведенное ко входу напряжение смещения нуля Uвх.см = (0,5÷10) мВ. Последние два параметра дополняются еще графиками их зависимости от температуры, при помощи которых характеризуется температурный дрейф тока сдвига и напряжения смещения.
В справочниках обычно указываются следующие предельно допустимые параметры ИОУ: максимально допустимое напряжение для синфазного и парафазного сигналов; максимально допустимый входной ток; максимально допустимый выходной ток (постоянный и пиковый); максимально и минимально допустимые напряжения питания.
Широкое распространение находят сдвоенные ИОУ, которые изготавливаются на одном кристалле, благодаря чему имеют почти одинаковые характеристики. Это позволяет решать ряд схемотехнических задач, связанных с уменьшением влияния дрейфа и т. д.
75
В настоящее время ИОУ достигли высокого совершенства. Дальнейший прогресс в разработке ИОУ идет по пути повышения входного сопротивления, уменьшения смещения нуля, повышения быстродействия, особенно при большом сигнале.
Следует отметить, что в настоящее время разработчики аналоговых ИМС все большее внимание обращают на специализированные микросхемы.
Рассмотрим структуру ИОУ с дифференциальным каскадом на входе на примере микросхемы 544УД1 (рис. 3.1), которая является аналогом μА740.
Рис. 3.1. Схема операционного усилителя 544УД1
Проблема повышения входного сопротивления и уменьшения входного тока здесь решена применением на входе униполярных транзисторов с управляющим р-п-переходом (см. транзисторы Т1 и Т2 на рис. 3.1). Благодаря этому входное сопротивление усилителя превышает 100 МОм, что гораздо больше входного сопротивления ИОУ на биполярных транзисторах со сверхвысоким коэффициентом передачи тока базы (β = 1000÷5000), тоже представляющих собой ИОУ с повышенным входным сопротивлением [1]. Входной ток смещения (Iвх.см = 100 пА) и ток сдвига (Iвх.сд = 50 пА)
76
у 544УД1 почти на порядок меньше, чем в лучших ИОУ на биполярных транзисторах.
На входе 544УД1 используется дифференциальный каскад на униполярных транзисторах Т1 и Т2 с каналом п-типа. Выходное напряжение входного каскада снимается с активных нагрузок в виде транзисторных структур Т3 и T4. Последние совместно с эмиттерным повторителем Т5 одновременно производят преобразование двухфазного сигнала в однофазный. Однофазный выход дифференциального каскада через повторитель напряжения на Т9 подключен ко входу каскада промежуточного усиления, построенного на транзисторе T10 с источником тока в коллекторе на Т8. Конденсатор С включается для сужения полосы пропускания с тем, чтобы предотвратить самовозбуждение усилителя. Выходной каскад на комплементарных транзисторах Т14 и Т18 построен по обычной схеме и обеспечивает наряду со сдвигом уровня смещения малое выходное сопротивление.
Так как полевые транзисторы чувствительны к импульсным помехам (из-за высокого входного сопротивления) и под их действием легко пробиваются, то требуется принимать специальные меры, исключающие выход из строя полевых транзисторов. Это обычно обеспечивается путем включения источника тока в истоковые цепи полевых транзисторов (см. на рис. 3.1 источник тока на T6 со стабилизирующим транзистором в диодном включении Т7) с тем, чтобы ограничить входной ток при пробое перехода затвор—канал и тем самым предотвратить выход из строя полевых транзисторов.
В схеме на рис. 3.1 и токи стоков задаются с помощью источников тока (см. Т3 и Т4). При этом можно обеспечить работу транзисторов с одинаковыми токами стока, что способствует уменьшению парафазной составляющей температурного дрейфа выходного напряжения дифференциального каскада.
Наличие двух входов у ИОУ позволяет реализовать различные подключения: инвертирующее, неинвертирующее и дифференциальное. При первом включении обратная связь оказывается параллельной, поэтому оно связано с уменьшением входного сопротивления. При неинвертирующем подключении к входу ИОУ, наоборот, входное сопротивление возрастает, так как обратная связь по-
77
лучается последовательной. Дифференциальное подключение применяется при работе от источников с двумя выходами, как, например, мостовые источники сигналов, которые часто встречаются в измерительных устройствах.
Часто для уменьшения отклонения выходного напряжения от нуля применяют балансировку ИОУ при помощи потенциометрической цепи, подключаемой к входам ИОУ или к входу второго каскада. При балансировке по второму каскаду входы ИОУ разгружаются от дополнительных цепей, поэтому снижается уровень наводок и помех. Балансировку по входу ИОУ целесообразно проводить в ИОУ с повышенным входным током. Как отмечалось в п. 1.4, не всегда балансировка способствует снижению дрейфа выходного напряжения.
Трансимпедансные интегральные операционные усилители, которые выпускаются многими фирмами с середины 80-х годов, относятся к классу аналоговых интегральных микросхем. На их основе реализуются аналоговые устройства различного назначения: широкополосные и импульсные усилители, радиотехнические усилители, линейные преобразователи аналоговых сигналов и т.д.
В отличие от традиционных интегральных операционных усилителей (см. рис. 3.1), в которых в качестве входов используются базовые или затворные цепи транзисторов, образующих входную дифференциальную пару, в трансимпедансных ИОУ (рис. 3.2) базовые (затворные) цепи, включаемые параллельно, используют как неинвертирующий вход, на который подается усиливаемый сигнал.
Для реализации отрицательной обратной связи предусмотрен инвертирующий вход, образуемый параллельным соединением эмиттеров (истоков) транзисторов во входной секции. При таком включении цепи R1–R2 (см. рис. 3.2) в аналоговом устройстве действует общая отрицательная обратная связь по напряжению. Одновременно возникает местная обратная связь по току во входной секции, глубина которой определяется следующей формулой:
Fм = 1 + S1ис(R1||R2),
где S1ис = S1n + S1p – суммарная крутизна характеристики транзисторов, действующих на инвертирующем входе. Поскольку инвертирующий вход оказывается очень низкоомным
78
(Rвх.ин ≈ 1/S1ис ~ 100 Ом), то как общая обратная связь по напряжению, так и местная обратная связь по току реализуются за счет за-
метного потребления тока (видимо, поэтому в зарубежной литературе принято говорить о токовой обратной связи «current– feedback»).
Рис. 3.2. Схема усилителя на трансимпедансном интегральном операционном усилителе с резистивным делителем R1–R2 в цепи обратной связи
Второе существенное отличие трансимпедансных ИОУ от традиционных ИОУ заключается в применении двухтактных каскадов на комплементарных парах транзисторов во всех звеньях, т.е. не только во входных и выходных каскадах, но включая и каскады промежуточного усиления. Такое построение схемы ИОУ, хотя и упрощает схемотехническую реализацию, однако оно требует применения высокочастотных р-п-р-транзисторов (как правило, fтр > 100 МГц), так как частотой единичного усиления этих транзисторов fтр фактически лимитируется высокочастотность ИОУ (поскольку n-р-п-транзисторы более высокочастотны).
При конструировании аппаратуры необходимо предусмотреть защиту ИОУ от различного рода перегрузок. Для защиты от пробоя на входе в ИОУ с дифференциальным каскадом (см. рис. 3.1) входные выводы шунтируют диодами (рис. 3.3), которые при входных сигналах большой амплитуды отпираются и, шунтируя вход, предотвращают пробой входных транзисторов.
79
Рис. 3.3. Схема подключения источников питания и элементов, предотвращающих перегрузки ИОУ
Если в ИОУ не предусмотрена встроенная защита от короткого замыкания на выходе, то последовательно с нагрузкой включают токоограничивающий резистор Rогр, как это показано на рис. 3.3. Чтобы предотвратить выход из строя ИОУ при подключении источников питания неправильной полярности в цепи питания включают диоды, работающие в прямом направлении при неправильном включении источников питания и в обратном направлении при правильной полярности.
Источники питания +Еип и –Еип для сглаживания пульсации шунтируются конденсаторами сравнительно большой емкости, составляющей десятые доли и единицы микрофарады. В качестве таких емкостей применяют электролитические малогабаритные конденсаторы (С1 и С3 на рис. 3.3). При резких изменениях потребляемого ИОУ тока электролитические конденсаторы не способны компенсировать резкие изменения тока, т.е. они оказывают индуктивную реакцию, что является их недостатком. Поэтому приходится шунтировать конденсаторы С1 и С3 керамическими конденсаторами С2 и С4 малой емкости (порядка сотни пикофарады), чтобы обеспечить нормальное питание ИОУ при усилении импульсов с резкими перепадами или высокочастотных сигналов.
Некоторые ИОУ подвержены триггерному перебросу или так называемому «защелкиванию». Суть этого эффекта заключается в следующем. После сигнала большой амплитуды, приводящего к ограничению выходного потенциала, последний остается в состоя-
80