Элемент с тремя состояниями выхода

На рис. 2.9, а в условном виде показана упрощенная электрическая схема элемента с тремя состояниями выхода (3-state output, Z-буфер). Иногда называют неверно: с тремя устойчивыми состояниями. Когда на входе элемента, обозначенном Z, уровень НИЗКИЙ, то транзистор VT3 заперт и не влияет на работу схемы элемента, выполняющего обычным образом операцию И-НЕ. Если сигнал Z имеет высокий уровень, то низкий уровень коллектора открытого транзистора VT3 передается через диоды на базы выходных транзисторов VT1 и VT2 и запирает их оба. В результате связь логической части элемента с его выходом разрывается, элемент со стороны выхода приобретает высокий импеданс (high impedance). Уровень потенциала на выходе уже не определен (плавающий потенциал — floating level). Он может быть любым в зависимости от соотношения токов утечки транзисторов VT1 и VT2, но такое состояние потенциала в качестве значения входного сигнала не используется. Третье состояние выхода в отличие от 1 и 0 обозначается Z. На рис. 2.9, б показано условное

Рис. 2.9. Элемент с тремя состояниями выхода

обозначение элемента с тремя состояниями выхода. Символ такого выхода — ромб с поперечной чертой. На рис. 2.9, в показан способ изображения 2-буфера на функциональных схемах, распространенный в переводной литературе. Таблица 2.2 иллюстрирует табличный способ задания работы элемента с тремя состояниями выхода.

2-буфер характеризуется задержками распространения двух трактов: логические входы — выход при 1=0 и вход — выход.

Элементы с тремя состояниями выхода разработаны специально для применения в качестве выходного управляемого буфера для подключения цифровых блоков к магистралям. Схема такой магистрали аналогична показанной на рис. 2.8, г, только в качестве элементов 2 использованы Z-буферы. Принцип обмена данными между устройствами такой же, как и по магистралям с открытым коллектором. Подключение магистрали к источнику питания через подтягивающий резистор не обязательно, так как Z-буфер задает на выходе и нижний, и верхний уровни сигнала.

Поскольку выходной каскад Z-буфера построен на основе двух последовательно включенных транзисторов, подача разрешающих сигналов на Z-входы сразу двух буферов магистрали недопустима: результат будет такой же, как и при объединении выходов двух обычных логических элементов.

Благодаря наличию в схеме на рис. 2.9, а транзистора VT1, быстро заряжающего паразитную емкость шины до высокого уровня, частотные свойства шины, управляемой буферами с тремя состояниями, выше, чем шины, управляемой буферами с открытым коллектором, или, при тех же частотных свойствах, меньше потребляемая мощность. Зато шина с открытым коллектором оказывается fool proof: она не боится ошибочного открытия сразу каких-либо и двух, и более выходных буферов. Подробнее прочесть о буферах и магистралях с тремя состояниями можно в [3] и другой литературе, посвященной микропроцессорам. Примеры буферов с тремя состояниями выхода или, как их еще называют, шинных драйверов — микросхемы К589АП16, К589АП26, K561J1H1.

Способ обмена с помощью магистралей помимо небольших затрат оборудования очень удобен для расширения системы, когда в процессе ее эксплуатации требуется подключение дополнительных устройств. Для этого достаточно подсоединить двунаправленные выводы этих устройств к шине данных, а выбирающие выводы — к адресной шине. Функцию элемента ИЛИ выполняет сам способ подключения, монтаж.

Простой усилитель на элементе с открытым коллекторным выходом можно построить по схеме, приведенной на рис. 9,6 [5]. Для него характерна особенность— подбором резистора R2 можно в значительных пределах изменять коэффициент усиления. Так, при R2=330 Ом коэффициент усиления будет 45, при R2—680 Ом — 50, при R2= 1,7 кОм — 77, а при R2=7,4 кОм — 89. При атом, конечно, изменяется и выходное сопротивление усилителя, что необходимо учитывать.

Недостатком описанных здесь простых усилителей является невысокое входное сопротивление, что ограничивает область их применения. К тому же коэффициент усиления небольшой. Устранить этот недостаток можно использованием совместно с элементом транзисторов, в том числе и полевых. Коэффициент усиления можно повысить последовательным включением усилительных каскадов.

Схема такого усилителя показана на рис. 10, его входное сопротивление 1 МОм, коэффициент усиления 400, полоса усиливаемых частот 1 кГц......25 МГц. Усилитель можно использовать, например, в качестве усилителя вертикального отклонения луча осциллографа, он, как правило, налаживания не требует.

Цифровая микросхема обычно содержит несколько идентичных элементов, выполненных на одном кристалле, которые можно использовать в одном устройстве. Это позволяет создавать многоканальные усилители с идентичным» характеристиками в широком диапазоне температур и питающих напряжений.

Рис. 9. Принципиальные схемы простых усилителей на логических элементах

Рис. 10. Принципиальная схема комбинированного усилителя

Примером тому может служить двухканальный усилитель импульсных и синусоидальных сигналов, схема которого показана на рис. 11 [4]. Он собран на одной микросхеме K133J1A3 и двух транзисторах КТ315. Основные характеристики усилителя: коэффициент усиления — 50, неидентичность каналов — не более 0,5 %, выходное сопротивление 50 Ом, входное сопротивление 5 кОм, верхняя граничная частота 40 МГц. Развязка между каналами на частоте 1 МГц — не менее 30 дБ.

Элементы ЭСЛ являются наиболее высокочастотными и на их выходах работают эмиттерные повторители, что позволяет использовать их для работы на высокочастотный кабель. Наличие на лередаточной характеристике наряду с линейным участком также и нелинейного, на котором крутизна характеристики плавно изменяется, открывает возможность строить на их основе радиочастотные усилители с электронной регулировкой усиления. Схема возможного варианта такого варианта усилителя приведена на рис. 12,а. Его основные характеристики: коэффициент усиления 13 дБ (на нагрузке 50 Ом), максимальное неискаженное выходное напряжение 200... 300 мВ. Амплитудно-частотная характеристика усилителя изображена на рис. 12,6. Если на вывод 7 DD1 подавать регулирующее напряжение Uper — 1,5...1,2 В, то можно изменять й коэффициент усиления. Принцип регулировки нетрудно понять, рассматривая схему элемента. Если на базу транзистора VT1 с выхода элемента подать напряжение ООС и входной сигнал, то элемент станет работать как усилитель сигнала. Транзистор VT2 будет закрыт и в работе усилителя не участвует. Если на базу транзистора VT2 подать напряжение—1,5 В и более, то он начнет открываться, транзистор VT1 — закрываться, коэффициент усиления уменьшаться. Такая регулировка позволяет осуществлять дистанционное управление или охватить усилитель системой автоматической регулировки усиления ((АРУ). Регулировочная характеристика усилителя показана на рис..12,в,

Рис. 11. Принципиальная схема двухканального усилителя

У элементов КМОП наиболее протяженный линейный участок передаточной характеристики, поэтому применение его в усилителях весьма желательно. Усилитель на четырехвходовом элементе (рис. 13,а) потребляет от источника питания напряжением 9 В ток около 1,5 мА. Амплитудная характеристика такого усилителя на частоте 100 кГц, работающего на высокоомную нагрузку, показана на рис. 13,6. Усилитель имеет сравнительно большой коэффициент усиления (рис. 13,в) и неплохие частотные характеристики. Сравнительно небольшой уровень неискаженного выходного сигнала объясняется тем, что у многовходового элемента за счет ООС через резистор R1 рабочая точка устанавливается автоматически, но не в середине линейного участка передаточной характеристики. При использовании элементов с меньшим числом входов рабочая точка находится ближе к середине, поэтому на выходе усилителя можно получить большее значение неискаженного сигнала. Достоинство такого усилителя— большое входное сопротивление, что позволяет подключать его непосредственно к магнитной антенне радиоприемника.

Элементы КМОП можно использовать для усилителей 34, схема одного из таких усилителей приведена на рис. 14,а [7]. При коэффициенте усиления около 20 дБ и выходном напряжении до 11,5 В коэффициент гармоник не превышает 0,16 %. Два таких каскада, включенных последовательно, можно с успехом использовать в микрофонном усилителе или предварительном усилителе 34 радиоприемника.

Рис. 12. Усилитель на элементе ЭСЛ

Общий недостаток усилителей на элементах КМОП — высокое выходное сопротивление. Устранить его можно установкой на выходе элемента эмиттер-ного повторителя на транзисторе и включения его в цепь ООС, как это сделано в усилителе по схеме на рис. 14,6 [7]. Кроме уменьшения выходного сопротивления, транзистор позволяет сместить рабочую точку элемента вверх или віниз по линейному участку (в зависимости от структуры примененного транзистора) и приблизить к середине,- Коэффициент усиления таких усилителей зависит от соотношения сопротивлений резисторов R1 и R2 и его можно определить по формуле [7]

где Кмах — коэффициент усиления элемента в линейном режиме. Все элементы, используемые в описанных здесь усилителях, имеют от двух до четырех равнозначных входов, что позволяет использовать их в микшерах или сумматорах сигналов. Схема одного из таких усилительных устройств приведена на рис. 15 [7]. Благодаря устранению ООС по переменному току за счет установка конденсатора С4 и хорошей развязки между входами элемента, взаимное влияние источников сигнала практически исключается.

Рис. 13. Усилитель ВЧ на элементе КМОП

Рис. 14. Принципиальные схемы усилителей на элементе КМОП

Многовходовые элементы можно также использовать для построения стробируемых, т. е. электрически управляемых (включаемых и выключаемых) усилителей. Пример тому — усилитель, собранный по схеме рис. 16. Подавая на управляющий вход напряжение, соответствующее высокому или низкому логическим уровням, усилителем можно управлять (1—выключен, 0—включен), к тому же на большом расстоянии, поскольку цепи сигнала и управления хорошо развязаны.

На элементах КМОП можно построить достаточно мощный усилитель 34. Для этого элементы включают параллельно, а для согласования с низкоомной нагрузкой (динамической головкой) применяют трансформатор. Схема выходного каскада подобного усилителя приведена на рис. 17. В нем пять элементов микросхемы K561ЛH2 включены параллельно и работают в линейном режиме, поэтому потребляемый ток равен примерно 30 мА и не изменяется от уровня входного сигнала. Выходная мощность составляет 70... 80 мВт на нагрузке сопротивлением 5... 6 Ом. Шестой элемент этой микросхемы можно использовать в предварительном усилителе.

Практика показывает, что на элементах можно строить различные по сложности и функциональному назначению усилители и, конечно же, их номенклатура гораздо шире описанных. Данные, приведенные в табл. 1, помогут радиолюбителю реализовать на практике задуманную конструкцию на основе элементов цифровых микросхем.

Рис. 15. Принципиальная схема микшера

Рис. 16. Принципиальная схема управляемого усилителя

Дата добавления: 2015-03-29