Состав и область применения аналоговых интегральных микросхем

В состав современных аналоговых ИС входит более 30 различных серий. В первую очередь это разнообразные усилители постоянного и переменного тока, усилители малой мощности, стабилизаторы напряжения для питания ИС (их называют вторичными источниками питания), цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, электрические фильтры, схемы оптоэлектроники, аналоговые прерыватели и некоторые другие устройства.

Реализация аналоговых ИС базируется на схемотехнических приемах как заимствованных из схемотехники обычных дискретных элементов, так и являющихся исключительно принадлежностью интегральной технологии. В частности, при построении аналоговых ИС используются структуры, полностью повторяющие обычные схемы одно- и двухкаскадных транзисторных усилителей. В дифференциальных усилителях в значительной степени проявляется специфика интегральной технологии, так как построение дифференциальных каскадов возможно лишь при наличии согласованной по характеристикам пары транзисторов. Получение таких пар транзисторов не представляет проблемы для интегральной технологии, однако ранее порождало значительные практические трудности при по­пытках реализовать стабильный дифференциальный каскад на дискретных элементах. Наконец, получать и использовать операционные усилители стало возможным только после освоения интеграль­ной микроэлектроники. Операционный усилитель, например, типа КР544УД2А является высококачественным усилителем с коэффициентом усиления более 20000 и состоит из 42 транзисторов, 24 резисторов, двух диодов и одного конденсатора. Этот усилитель практически невозможно повторить на дискретных элементах, т.е. собрать его в виде законченного устройства из отдельных транзисторов, резисторов и т. д. Такие попытки всегда заканчиваются неудачей вследствие невозможности обеспечить стабильную и устойчивую работу усилителя.

Простейшей операцией с непрерывными (аналоговыми) сигналами является их прерывание, которое выполняется аналоговыми переключателями. Отличительной особенностью аналоговых переключателей в интегральном исполнении является независимость сопротивления открытого (замкнутого) переключателя от уровня и направления протекающего через него тока, а также исключительно малое напряжение помехи, создаваемой цепью управления. Интегральные аналоговые переключатели изготавливают на основе как биполярных, так и полевых транзисторов. На рис. 80 приведено обозначение ИС типа КР590КН2, представляющей собой четырехканальный коммутатор, выполненный на основе комплементарных полевых транзисторов.

Буквы D, С, К в обозначении микросхемы относят ее к разряду аналоговых коммутаторов. Повторяющиеся цифры 1 — 4 устанавливают соответствие между входными и выходными «контактами» переключателя и выводом, управляющим их состоянием. Для включения микросхемы необходимо на выводы 8-7 и 16-7 (не показаны на рис. 80) подать напряжения питания и соответственно. При этом вывод 2-1, 5-6, 11-10 и 14-15 оказываются попарно замкнутыми между собой. Для того чтобы разомкнуть любую пару перечисленных выводов, необходимо на соответствующий управляющий вход (выводы 3, 4, 12 и 13) по отношению к общему выводу 7 подать напряжение U¹ от 4,1 до 10,8 В. Например, чтобы разомкнуть выводы 11-10, необходимо на выводы 12-7 подать напряжение U_ВХ указанной величины.

Рассматриваемый переключатель, как и большинство интегральных микросхем, является маломощным устройством. Он способен коммутировать напряжение, величина которого заключена в пределах от +10 до - 10 В, и ток не более 10 мА.

Более сложные преобразования над аналоговыми сигналами осуществляют устройства, подавляющая часть которых использует операционные усилители. Операционным усилителем (ОУ) называют дифференциальный усилитель постоянного тока, который отличается исключительно высоким коэффициентом усиления по напряжению К, большим входным сопротивлением R_ВХ и малым выходным сопротивлением R_ВЫХ и предназначен для выполнения различных математических операций над аналоговыми сигна­лами. Низкая стоимость и высокие технические характеристики современных операционных усилителей привели к их повсеместному распространению и сделали ОУ наиболее широко применяемой универсальной аналоговой ИС.

Основным схемотехническим узлом ОУ является дифференциальный усилительный каскад (рис. 81). Каскад состоит из четырех транзисторов VT1 — VT4 и пяти резисторов R1 — R5. Транзистор VT4 работает в режиме диода; его база и коллектор накоротко соединены между собой. Транзисторы VT1 и VT2 образуют согласованную пару. Полученные в одном технологическом цикле, они обладают идентичными характеристиками (коэффициентом усиления, входным сопротивлением, чувствительностью к изменению температуры и т.д.). Равны по величине сопротивления и по другим параметрам и резисторы R1 и R2, включенные в цепь коллектора соответственно транзистора VT1 и VT2. Транзистор VT3 совместно с резистором КЗ и транзистор VT4 с резисторами R4 и R5 образуют источник постоянного тока I ₀. Это означает, что при всех предусмотренных техническими характеристиками каскада изменениях напряжения питания U_П температуры окружающей среды, состояния транзисторов VT1 и VT2 (они как нагрузка включены в цепь коллектора VT3) транзистор VT3 будет обеспечивать протекание через свою коллекторную цепь тока I _O постоянного значения. Вследствие полной идентичности транзисторов VT1 и VT2, а также резисторов R1 и R2 этот ток разделяется на две равные части. Таким об­разом, и через резистор R1, и через резистор R2 протекает ток, величина которого равна I ₀. Отсюда следует, что потенциалы на выходных зажимах Вых.1 и Вых.2 совпадают между собой:

а их разность, представляющая собой выходное напряжение каска­да, будет равна нулю:

Итак, при включении схемы и при отсутствии входных напряже­ний выходное напряжение вследствие идентичности плеч дифференциального каскада оказывается равным нулю.

Если на оба входа каскада будет воздействовать одно и то же входное напряжение, равновесие схемы не нарушится (подобно тому, как невозможно нарушить равновесие весов, нагружая обе их чаши одинаковыми грузами). Подадим на вход Вх.1 входное напряжение отпирающей полярности так, как это показано на рис. 81. Коллекторный ток транзистора VT1 при этом возрастет на некото­рую величину . Но суммарный ток I₀ в цепи коллектора тран­зистора VT3 будет поддерживаться на прежнем уровне, что неизбежно приводит к уменьшению коллекторного тока транзистора VT2 также на величину . Теперь уже выходные напряжения U _ВЫХ.1 и U _ВЫХ.2 не равны между собой, так как

Не будет равно нулю и выходное напряжение, величина которого

(13)

Если входное напряжение подать на вход Вх.2, то транзисторы VT1 и VT2 поменяются ролями. Теперь уже коллекторный ток VT2 возрастет на величину , а коллекторный ток VT1 умень­шится на эту же величину. В этом случае

(14)

Сравнивая между собой выражения (13) и (14), видим, что одно и то же воздействие, но приложенное к разным входам дифференциального усилительного каскада, вызывает противоположные по знаку и одинаковые по величине выходные воздействия. В первом случае выходное напряжение получилось отрицательным, во втором случае — положительным. По этой причине вход Вх.1 дифференциального усилителя называется инвертирующим, а Вх.2 — неинвертирующим.

Дифференциальный усилительный каскад является обязательной составной частью всех операционных усилителей и играет роль входного усилительного каскада. Кроме этого узла, операционный усилитель содержит элементы, увеличивающие его усиление по напряжению и входное сопротивление (например, с помощью полевых транзисторов), а также снижающие его выходное сопротивление. Обозначение операционного усилителя приведено на рис. 82. DA означает, что усилитель — операционный, кружок на одном из входов — что вход является инвертирующим; наконец, треугольник, в виде которого изображается ОУ, показывает направление передачи сигнала.

Операционные усилители оформлены в пластмассовых, металлостеклянных или керамических корпусах (см. рис. 71, в). Ключ на корпусе позволяет производить счет выводов, нумерация которых приводится в паспортных характеристиках ОУ. Промышленностью налажено производство операционных усилителей нескольких типов; справочные данные некоторых из них приводятся в табл. 12. Особых требований к усилителям не предъявляют, для них характерно большое разнообразие параметров. Вследствие этого усилители с успехом используются на железнодорожном транспорте.

Таблица 12

Тип микросхемы	Предельные зна­чения UИП, В	К более	RВХ, кОм. более	RВЫХ, кОм, менее	UВЫХ, max. В, более
К140УД1А
К14ОУД1Б
К140УД6
КР140УД1А
КМ551УД1А			—	—
К553УД1А			—	—

Покажем, каким образом ОУ осуществляет преобразования ана­логовых сигналов. Схема неинвертирующего масштабного усилителя (рис. 83) не относится конкретно к какому-либо определенному типу ОУ, в связи с чем цепи питания не показаны. Операцион­ный усилитель охвачен цепью отрицательной обратной связи.

Коэффициент передачи усилителя по напряжению

Таким образом, ОУ осуществляет масштабное преобразование входного напряжения с коэффициентом K _ое, значение которого определяется только внешними резисторами R1 и R2 и не зависит от свойств самого ОУ.

Дата добавления: 2013-12-13