Контрольные вопросы

1. Что такое усилитель постоянного тока?

2. Что означает термин дрейф нуля?

3. Сколько транзисторов в дифференциальном каскаде УПТ?

4. Чем отличается дифференциальный каскад от УПТ с непосредственными связями?

5. Почему в УПТ нельзя использовать для связи реактивные элементы?

6. Что такое операционный усилитель?

7. Сколько входов и сколько выходов имеет ОУ?

8. Может ли ОУ работать при однополярном напряжении питания?

9. В чем измеряется скорость нарастания выходного напряжения?

10. Сколько каскадов в ОУ?

11. Чем отличается первый каскад ОУ от второго?

12. Как уменьшить дрейф нуля?

ЛЕКЦИЯ 8

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ

УСИЛИТЕЛЕЙ

(2 часа)

План

1. Линейные преобразователи электрических сигналов.

2. Усилители, сумматоры.

3. Схемы с регулируемым коэффициентом передачи.

Поскольку на входе ОУ стоит дифференциальный каскад усиления, имеющий инвертирующий и неинвертирующий входы, то различают два основных вида включения – инвертирующее и не инвертирующее. Кроме этого ОУ за счёт высокого коэффициента усиления должен быть охвачен глубокой ООС для обеспечения устойчивости его работы.

Инвертирующая схема включения ОУ изображена на рис 8.1.

Для идеального ОУ ( ) зависимость выходного напряжения от входного описывается выражением . Коэффициент передачи инвертирующего усилителя .

Рис. 8.1. Инвертирующий усилитель на базе ОУ

На базе инвертирующего включения может быть реализована произвольная передаточная функция устройства, если активные сопротивления во входной цепи и цепи обратной связи заменить комплексными. Тогда . Такая схема включения называется базовой.

Неинвертирующая схема включения ОУ изображена на рис. 8.2. При идеальном ОУ ( ) зависимость выходного напряжения от входного описывается выражением . Коэффициент передачи инвертирующего усилителя (т.е. коэффициент передачи в неинвертирующей схеме включения всегда больше 1).

Рис. 8.2. Неинвертирующий усилитель на базе ОУ

В целях снижения ошибки, связанной с дрейфом входных параметров, стремятся, чтобы эквивалентные сопротивления подключенных к входам резисторов были равны. В обеих схемах сопротивление R2 стремятся выбрать равным эквивалентному сопротивлению и , соединенных параллельно. Номинальные значения резисторов обычно рекомендуется выбирать в диапазоне .

ОУ используются для проведения математических операций с аналоговыми сигналами. Различают: суммирующее, интегрирующее и дифференцирующее включение ОУ. Причем эти схемы включения могут быть как инвертирующими, так и неинвертирующими. Далее рассмотрим инвертирующие схемы, как наиболее часто применяемые.

Схема инвертирующего сумматора на ОУ изображена на рис. 8.3. В этой схеме зависимость выходного напряжения от входного описывается выражением



Входов может быть сколько угодно, знаки входных напряжений произвольны. Достоинство инвертирующего сумматора – коэффициент передачи по каждому входу не зависит от коэффициентов передачи для других входов в отличие от неинвертирующего сумматора, который из–за этого применяется достаточно редко.

Рис. 8.3. Инвертирующий сумматор на ОУ

Схема интегрирующего включения ОУ (аналоговый интегратор) изображена на рисунке 8.4. Выходное напряжение при такой схеме – . Произведение называют постоянной времени интегрирования. Передаточная функция такого устройства = = = .

Рис. 8.4. Аналоговый интегратор на ОУ

Схема дифференцирующего включения ОУ изображена на рисунке 8.5.

Выходное напряжение в такой схеме . Передаточная функция такого устройства = = .

Рис. 8.5. Аналоговый дифференциатор на ОУ

Поскольку ОУ с управляемыми параметрами имеют очень малую номенклатуру, то применяют управление таким параметром как коэффициент усиления при помощи различных внешних цепей, причём коэффициент усиления может управляться как аналоговым сигналом, так и цифровым кодом.

Рис. 8.6. Неинвертирующий усилитель с управляемым коэффициентом передачи

При подаче на один из входов схемы (Рис. 8.6) логической единицы, соответствующий транзисторный ключ открывается и в цепь инвертирующего входа оказывается включённой коллекторная нагрузка данного ключа. .

Изменяя цифровой код на входах ключей, можно к инвертирующему входу подключить целый ряд коллекторных нагрузок, включённых в параллель и соответственно изменять коэффициент усиления схемы.

Управление коэффициентом усиления при помощи аналогового сигнала можно осуществлять с помощью полевого транзистора (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Неинвертирующий усилитель с управлением коэффициентом передачи на полевом транзисторе

В данной схеме роль сопротивления, подключённого к инвертирующему входу, выполняет канал полевого транзистора VT1. Изменяя управляющее напряжение, можно менять ширину канала, следовательно, и его сопротивление, что будет приводить к изменению коэффициента усиления.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается инвертирующий усилитель от неинвертирующего?

2. Сколько входов может быть у сумматора сигналов?

3. Емкость в интеграторе включается во входную цепь?

4. Как изменить коэффициент передачи неинвертирующего усилителя?

5. Запишите выражения для коэффициента передачи инвертирующего и неинвертирующего усилителя.

6. Может ли ОУ работать в линейном режиме без цепей ОС?

7. При каком включении ОУ сдвиг фазы между входным и выходным напряжением равен 180 градусов?

ЛЕКЦИЯ 9

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

(2 часа)

План

1. Интегральные микросхемы. Логические элементы и устройства

2. Основы алгебры логики. Правила логических операций

3. Логические функции и их реализация

4. Схемотехника простейших логических элементов

Большинство устройств систем управления (СУ) выполняют функции формирования и преобразования по определенным законам электрических сигналов информационного уровня. В целях повышения КПД и уменьшения массогабаритных показателей стремятся к снижению мощности сигналов, преобразуемых и вырабатываемых СУ. Эта тенденция привела к широкому использованию в узлах СУ интегральных микросхем (ИМС).

Интегральные микросхемы представляют собой микроэлектронные устройства с высокой плотностью компоновки элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д. Номенклатура ИМС определяется их функциями и масштабом производства. Наиболее широко употребляемые массовые ИМС можно отнести условно к группе базовых ИМС.

По технологии изготовления различают полупроводниковые, пленочные и гибридные ИМС. В основе полупроводниковых ИМС лежит кристалл полупроводника, в котором выполнены все элементы микросхемы. Пленочные ИМС выполнены в виде пленок проводящих и непроводящих материалов. Гибридные содержат более сложные компоненты (например, несколько полупроводниковых кристаллов в одном корпусе).

По функциональному назначению микросхемы принято разделять на аналоговые и цифровые. Особенностью цифровых ИМС является то, что обрабатываемые сигналы имеют вид импульсов с двумя ярко выраженными уровнями. Высокий уровень, соответствует логической «1» (как правило, напряжение порядка 5 – 10В), а низкий уровень – логическому «0» (напряжение порядка 0.2 – 1В). Аналоговые ИМС преобразуют непрерывные переменные во времени сигналы.

Сложность ИМС определяется степенью интеграции , где N – число элементов входящих в ИМС. В соответствии с этой формулой микросхема первой степени интеграции содержит до 10 элементов, второй степени - от 11 до 100, третьей степени – от 101 до 1000 и т.д. Соответственно различают: малые МИС ( , средние СИС ( ), большие БИС ( ) и сверхбольшие СБИС ( ) ИМС.

Наиболее сложными ИМС являются микропроцессоры –программируемые устройства, которые широко применяются в узлах управления силовых электронных аппаратов.

МИС реализуют простейшие логические преобразования (ИЛИ, И, И–НЕ и др.) и обладают универсальностью – на них может быть построено любое цифровое устройство. В виде СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и т.п. СИС менее универсальны, чем МИС, поэтому их номенклатура более широкая и разнообразная.

БИС и СБИС содержат тысячи и миллионы логических элементов в одном кристалле. Для ИС с жесткой структурой рост уровня интеграции приводил бы к проблеме снижения универсальности, вследствие чего пришлось бы производить огромное число типов ИС при снижении объема производства каждого из типов, что увеличило бы их стоимость.

Решение этой проблемы было найдено путем переноса специализации микросхем в область программирования. Появились процессоры и БИС/СБИС с программируемой структурой.

У каждого микропроцессора есть набор (система) команд. Меняя последовательность и состав команд (программу), можно решать различные задачи на одном и том же микропроцессоре. Промышленность, таким образом, получает возможность массового производства кристаллов, не ориентируясь на определенного потребителя. Это существенно снижает стоимость таких ИС.

Логические элементы и устройства. Цифровые интегральные микросхемы. Общие понятия

Анализ и синтез цифровых схем проводят на основе Булевой алгебры. Джон Буль – английский математик XIX века.

Цифровые схемы оперируют с логическими переменными, которые обозначаются буквами латинского алфавита. Над логическими переменными можно совершать 3 основных действия:

– операция ИЛИ – логическое сложение (дизъюнкция);

– операция И – логическое умножение (конъюнкция);

– операция НЕ – инверсия, отрицание.

Обозначение этих действий:

ИЛИ обозначается +,(V); И обозначается х,(/\); НЕ обозначается чертой над логической переменной, .

Основные свойства логических функций

Переменная, связанная логическими операциями, образует логическую функцию. Свойства логических функций:

1. Логического сложения: 0+0=0; 0+1=1; 1+1=1.

2. Логического умножения: 0х0=0; 0х1=0; 1х1=1.

3. Отрицания: .

Приведенные соотношения называются аксиомами.

Основные свойства логических операций в общем виде:

; ; ; ;

; ; ; ; .

Основные логические законы

1. Переместительный закон

;

.

2. Сочетательный закон

;

.

3. Распределительный закон

;

.

4. Закон поглощения

;

.

5. Закон склеивания

;

.

6. Закон отрицания (законы Моргана)

; .

Законы Моргана позволяют реализовать функционально полные системы на элементах И–НЕ, ИЛИ–НЕ.

Функционально полная система логических элементов

Функционально полная система – это такой набор элементов, используя который можно реализовать любую сколь угодно сложную логическую функцию.

Набор из основных логических элементов И, ИЛИ, НЕ является функционально полным. Функционально полные системы могут быть реализованы также на элементах И–НЕ, ИЛИ–НЕ. Реализация основных логических функций на элементах И–НЕ доказывается следующими соотношениями:

Для И: ; Для ИЛИ: ; Для НЕ: .

Логические функции и их реализация

1. Логическое отрицание или инверсия – .

Данная функция реализуется логическим элементом, который называется инвертором или же элементом НЕ. Каждый логический элемент характеризуется таблицей состояний на входе и выходе, которую называют таблицей истинности. Логический элемент НЕ и его таблица истинности:

2. Логическое сложение или дизъюнкция – .

Элемент, реализующий функцию дизъюнкции, называется ИЛИ:

3. Конъюнкция, или логическое умножение – .

Элемент, реализующий функцию конъюнкции, называется И:

Элементы НЕ, ИЛИ, И представляют собой функционально полный набор логических элементов. Только при помощи этих элементов можно выполнить любую сколь угодно сложную функцию.

4. Элемент Пирса. Этот элемент, реализующий функцию отрицания дизъюнкции, называется ИЛИ–НЕ (рис. 9.1) – .

Рис. 9.1. Логический элемент ИЛИ–НЕ

5. Элемент Шеффера. Этот элемент, реализующий функцию отрицания конъюнкции, называется И–НЕ (рис. 9.2) – .

.

Рис. 9.2. Логический элемент И-НЕ

6. Исключающее ИЛИ – это элемент ИЛИ, который исключает два одинаковых состояния на входе:

Маркировка логических элементов. Вторая и третья группы в обозначении цифровых ИМС показывают какой логический элемент перед нами. Например:

НЕ ЛН

ИЛИ ЛЛ

И ЛИ

ИЛИ–НЕ ЛЕ

И–НЕ ЛА

=1 ЛП

Следует заметить, что отдельные логические элементы в микросхемном исполнении в настоящее время не выпускаются.

Схемотехника простейших логических элементов

1. Элемент НЕ. В общем случае представляет транзисторный ключ на полевом или биполярном транзисторе:

2. Элемент ИЛИ. В простейшем случае реализуется на полупроводниковых диодах:

3. Элемент И:

Элементы И–НЕ и ИЛИ–НЕ реализуются подключением на выход диодной матрицы транзисторного инвертора.

4. Исключающее ИЛИ:

База каждого из входных транзисторов VT1, VT2 соединена с эмиттером другого транзистора. На транзисторе VT3 собран инвертор, или транзисторный ключ.