13

Министерство высшего и среднего специального образования Рф

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплине

МИКРОСХЕМОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ

СОСНОВЫЙ БОР

1998

Работа 7.АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ СИГНАЛОВ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

Цель работы состоит в ознакомлении с принципами функ­ционирования, основными характеристиками и схемами вклю­чения полупроводниковой интегральной микросхемы (ИМС) четырехквадратного аналогового перемножителя сигналов типа К525ПС1 [1, 3, 4].

Аналоговым перемножителем сигналов (АПС) называют устройство, выходное напряжение U_вых которого пропорцио­нально произведению двух аналоговых входных сигналов U_х. и U_y:

где Е₀ — масштабный коэффициент, В.

Условное обозначение АПС показано на рис. 7.1.

В основу интегральной микросхемы АПС типа К525ПС1 положена схема дифференциального каскада, показанная на рис. 7.2, а.

Рис. 7. 1

Заменив транзисторы VТ1 и VТ2 упрощенными схемами замещения, представленными на рис. 7.2, б, покажем, что вы­ходное напряжение дифференциального каскада U_вых при

Рис. 7. 2

определенных условиях пропорционально произведению вход­ного сигнала U₁ на значение тока I_х эмиттерной цепи схемы. Эмиттерный ток VТ1

,

где I_нач — начальный ток р—n – перехода, а (j_т — коэффициент, приблизительно равный 26 мВ при 20°С.

Аналогично, для второго транзистора

.

Предполагая, что в рабочем диапазоне токов выполняется неравенство I_Э>>I_НАЧ, упрощенные выражения имеют вид

, ,

(7.1)

Из выражения (7.1) можно получить

,

.

Если положить параметры транзисторов идентичными и a₀₁=a₀₂=1, то

, (7.2)

где U₁=U_б.Э1–U_б.Э2.

Введя нормировку токов

, ,

отобразим полученные на рис. 7.3. Из графика следует, что зависимость коллекторных токов I¢_K1, I¢_K2 от входного напряжения U₁ носили характер, близкий к линейному, лишь при U₁/j_T<<1, т. е. при значении U₁ порядка единиц милливольт.

При этом крутизна схемы, для которой входным напряжением является U₁,

пропорциональна значению тока I_x источника эмиттерных токов.

Рис. 7. 3

Для схемы рис. 7.2, а:

Используем разложение экспоненциальной функции в степенной ряд

.

Тогда

Таким образом выходное напряжение рассмотренной схемы при U₁<<j_T пропорционально произведению входного напряжения U₁ на ток I_x не меняет своего направления (I_x>0). Эта зависимость выходного напряжения соответствует двухквадратному перемножению (0³U₁³0, I_x>0).

Существенно расширить динамический диапазон перемно­жаемых входных сигналов способна схема перемножителя сигналов, представленная на рис. 7.4. Рассматриваемая схе­ма дополнительно к исходной содержит дифференциальный каскад на транзисторах VТЗ и VТ4 с цепью последователь­ной отрицательной обратной связи на резисторе R_у. Нагруз­кой каскада является пара полупроводниковых диодов VД1 и VД2.

Выходное напряжение U₁ входного дифференциального каскада равно:

Рис. 7. 4

где I₃=I_A+U_У/R_У, I₄=I_A-U_У/R_У.

Подставив полученное выражение U₁ в формулу (7.2) по­скольку U₁ является входным напряжением для дифферен­циального каскада на транзисторах VТ1, VТ2, функциониро­вание которого мы рассмотрели ранее, получим

Тогда выходное напряжение схемы, представленной на рис. 7.4,

(7.3)

пропорционально произведению тока I_х второго дифференци­ального каскада на входное напряжение U_х.

Напряжение U_у может меняться в широких пределах, вплоть до значения U_макс£R_у/I_A, при котором один из тран­зисторов входного дифференциального каскада входит в ре­жим отсечки. Следует отметить также, что выражение (7.3) не содержит j_т, и поэтому точность перемножения I_х и U_у слабо зависит от температуры. Расширение динамического диапазона объясняется тем, что входное напряжение линей­но преобразуется дифференциальным каскадом на VТЗ, VТ4, в токи I₃, I₄ прохождение которых через VД1 и VД2 создает на них разность напряжений U₁, пропорциональную логариф­му входного напряжения. Второй же дифференциальный кас­кад выполняет операцию ехр входного напряжения с крутиз­ной, определяемой значением тока I_х.

В схеме, представленной на рис. 7.4, ток I_х не может ме­нять направление, поэтому данная схема является двухквад­рантным перемножителем сигналов (0³U_у³0, U_x>0). На рис. 7.5 показана упрощенная схема четырехквадрантного АПС типа К525ПС1, для которой с учетом соотношений

выходное напряжение Uвых связано с входными напряжения­ми следующим образом:

(7.4)

где E₀¢=R_XR_YI_A/2R_K.

Обычно для снятия выходного сигнала АПС К525ПС1 ис­пользуется дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе (ОУ) с коэффициентом передачи K_U=U_вых/U_14-2, где U_14-2 — выходное напряжение ИМС К525ПС1, как это показано на упрощенной схеме рис. 7.6.

Таким образом, поскольку U_14-2=U_XU_У/E₀¢, то

(7.5)

где E₀=E₀¢/K_U= R_XR_УIA/2R_KK_U.

На макете лабораторной работы: R_X = R_У = 8,2 кОм; I_A = 1 мА; R_K = 3,6 кОм, K_U = 3.

С целью упрощения обозначений на макете лабораторной работы ИМС К525ПС1 и дифференциальный усилитель на ОУ объединены в одно устройство АПС, обозначение для ко­торого в дальнейшем соответствует, представляемому на рис. 1.7.