Аналоговые микросхемы

Цифровые запоминающие устройства

Цифровые запоминающие устройства предназначены для записи, хранения и выдачи информации, представленной в виде цифрового кода. Основными характеристиками запоминающих устройств являются их информационная емкость, быстродействие и время хранения информации.

Цифровые запоминающие устройства подразделяются на классы по ряду признаков:

- функциональному назначению;

- способу хранения информации;

- технологическому исполнению;

- способу обращения к массиву элементов памяти.

По функциональному назначению цифровые запоминающие устройства подразделяются на:

- оперативные (ОЗУ), объединенные со схемами управления, обеспечивающими режимы записи, хранения и считывания информации в процессе ее обработки;

- постоянные (ПЗУ) – матрицы со схемами пассивных элементов памяти со схемами управления, предназначенными для воспроизведения неизменной информации, заносимой в матрицу при изготовлении.

- программируемые постоянные (ППЗУ) имеют возможность многократного электрического программирования;

- репрограммируемые – с возможностью многократного электрического перепрограммирования;

- Ассоциативные запоминающие устройства (АЗУ) - безадресные ЗУ, в которых поиск и выборка информации осуществляется по содержанию произвольного количества разрядов, хранящихся в АЗУ.

По способу хранения информации ЗУ делятся на статические и динамические. Элементы памяти статических ЗУ представляют собой бистабильные ячейки, что определяет потенциальный характер управляющих сигналов и возможность чтения информации без ее разрушения.

В динамических ЗУ для хранения информации используются инерционные свойства реактивных элементов, что требует периодического восстановления (регенерации) состояния элементов памяти в процессе хранения информации.

По технологическому исполнению ЗУ подразделяются на:

- полупроводниковые на основе биполярных транзисторов, использующих схемотехнику ТТЛ или ЭСЛ;

- полупроводниковые ЗУ на основе полевых транзисторов с изолированным затвором: р -МОП, п -МОП;

- полупроводниковые на основе приборов с зарядовой связью;

- магнитные на основе цилиндрических магнитных доменов.

По способу обращения к массиву памяти все ЗУ делятся на адресные и безадресные.

Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Наиболее распространенным применением преобразования аналоговых сигналов является усиление электрических колебаний. Усиление происходит за счет того, что схема усилителя содержит источник энергии, обычно называемый источником питания, и активный усилительный элемент, обычно транзистор, с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергии. Электрических колебаний необходимой мощности. Кроме усиления аналоговые интегральные микросхемы применяются для перемножения аналоговых сигналов, изменения их спектрального состава.

Для различных целей применяют схемы, обладающие рядом особенностей:

- для повышения коэффициента усиления применяют каскады с динамической нагрузкой и составные транзисторы;

- для стабилизации режима работы применяют обратные связи и генераторы стабильного тока;

- для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току применяют схемы сдвига потенциала.

Операционные усилители

Операционными усилителями (ОУ) называют усилители постоянного тока, предназ­наченные для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигналами при работе в схемах с отрицательной обратной связью. Они обладают очень боль­шим коэффициентом усиления напряжения, имеют дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и несимметричный выход с низким выходным сопротивлением. Условное обозначение ОУ приведено на рис. 7.15, а. Общую информационную шину (корпус) и цепи питания на схемах обычно не показывают. Один из входов ОУ, отмеченный знаком «+», называется неинвертирующим. При подаче сигнала на этот вход и соединении второго входа с корпусом выходное напряжение находится в фазе с входным. Второй вход ОУ, отмеченный знаком «-» (иногда его обозначают знаком инверсии «0»), называется инвертирующим. При подаче сигнала на этот вход и соединении другого входа с корпусом напряже­ние на выходе ОУ находится в противофазе со входным. Во многих случаях источ­ник сигнала включается между обоими входами. Помимо трех сигнальных кон­тактов (двух входных и одного выходного) ОУ содержит дополнительные контакты (число контактов обычно составляет 14 или 16). Для облегчения понимания назна­чения контактных выводов применяется более полное условное обозначение ОУ (рис. 7.15, б). Символами NC обозначают выводы балансировки, символами FC — выводы частотной коррекции. Существуют и другие вспомогательные выводы.

Параметры ОУ

Параметры ОУ характеризуют эксплуатационные возможности операционного усилителя.

- Коэффициент усиления напряжения без обратной связи К _u, показывающий, во сколько раз напряжение на выходе ОУ превышает напряжение сигнала, поданного на дифференциальный вход. Практически К _u= 10⁵-10⁶.

- Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осл.сф., показывающий, во сколь­ко раз дифференциальный сигнал сильнее синфазного. Практически определя­ется свойствами входного дифференциального каскада и составляет от 80 до 100 дБ.

- Напряжение смещения нуля U_см, представляющее собой постоянное напряже­ние определенной полярности, которое необходимо подать на вход ОУ при отсутствии входного сигнала для того, чтобы напряжение на выходе стало рав­ным нулю. Отклонение выходного напряжения от нуля обусловлено хотя и очень малым, но неизбежно существующим дисбалансом плеч дифференци­ального каскада. Типовое значение U_см = (5-20) мВ.

- Температурный дрейф напряжения смещения

характеризует изменение напряжения U_см при изменении температуры и со­ставляет от 1 до 30 мкВ/°С.

- Входные сопротивления для дифференциального R_вх.диф и синфазного R_вх.сф сигналов. Сопротивление R_вх.диф измеряется со стороны любого входа в то время, когда другой вход соединен с общим выводом. Значения его лежат в пределах от сотен кОм до единиц МОм. Сопротивление R_вх.сф измеряется между со­единенными вместе входными контактами ОУ и корпусом. Это сопротивление на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

- Выходное сопротивление R_вых. По отношению к внешней нагрузке ОУ ведет себя как генератор напряжения, обладающий внутренним сопротивлением, являющимся выходным сопротивлением ОУ. Величина этого сопротивления составляет десятки-сотни Ом.

- Входные токи. Это токи, протекающие во входных выводах при присоединении последних к корпусу. Если входной дифференциальный каскад выполнен на биполярных транзисторах, то эти токи являются токами баз, их величина состав­ляет от 10 до 100 мкА. Если входной дифференциальный каскад выполнен на полевых транзисторах, то эти токи существенно меньше, их величина составля­ет от 10 до 100 нА. Из-за асимметрии плеч дифференциального каскада эти токи различаются. В справочниках приводится среднее значение входного тока:

- Разность входных токов характеризует степень дисбаланса ОУ.

При больших сопротивлениях резисторов, включенных на входах ОУ, за счет раз­ности входных токов может появиться паразитный дифференциальный сигнал.

- Частота единичного усиления f ₁ характеризует частотные свойства ОУ в режи­ме усиления малых сигналов. Это та частота, на которой коэффициент усиления напряжения становится равным единице. В ОУ предусмотрено включение корректирующих цепочек с тем, чтобы устранить самовозбуждение на высоких частотах, неизбежно возникающее при больших коэффициентах усиления и охвате ОУ обратной связью. Поэтому частотная характеристика ОУ имеет специфичный вид (рис. 7.16). Если рассматривать зависимость логарифма коэффициента усиления как функцию логарифма частоты, то, начиная с не­которой частоты f ₀, наблюдается линейное уменьшение lg K вплоть до часто­ты f ₁, на которой К = 1, а lg K =0. Практически f ₀ = 10-20 Гц, f ₁ = 0,5-5 МГц.

Рис. 7.16

- Скорость нарастания выходного напряжения v_u характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала. Это скорость изменения выходного напряже­ния при подаче на вход ОУ ступенчатого напряжения. У обычных ОУ она со­ставляет от 0,5 до 5 В/мкс, у быстродействующих достигает 50 В/мкс.

Кроме указанных параметров в справочниках приводятся максимальные значения входного ± U_вх.тах и выходного ± U_{вых.тах} напряжений, а также напряжение источника питания , характеризующие амплитудные свойства ОУ (рис. 7.17). В справоч­никах также приводится величина потребляемого тока I_n и ряд других параметров.

Рис. 7.17

Схемотехника ОУ

В состав ОУ входит несколько каскадов. Наиболее простое схемное решение имеет ОУ К140УД1 (рис. 7.18), изготовленный на кремневой пластине размером 1,1 х 1,1 мм и содержащий 9 транзисторов. Входной дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT₁ и VT₂, он питается от генератора стабильного тока на транзисторах VТ₃ и VT₄ Второй дифференциальный каскад выполнен на тран­зисторах VT₅ и VT₆. Схема сдвига потенциала образована транзистором VT₇, ре­зистором R₉ и генератором стабильного тока VT₈. Выходной каскад на транзис­торе VT₉ представляет собой эмиттерный повторитель, охваченный неглубокой положительной обратной связью, компенсирующей ослабление сигнала схемой сдвига потенциала. Обратная связь осуществляется путем подачи части выход­ного сигнала на эмиттер VT₈, который включен для этого сигнала по схеме с ОБ, и затем на базу эмиттерного повторителя VT₉. Схема обеспечивает сравнительно невысокий коэффициент усиления К _u = 2 х 10³, дает ослабление синфазного сиг­нала К_осл.сф. = 60 дБ и имеет невысокое входное сопротивление R_вх = 4 кОм.

Большинство современных ОУ строится по двухкаскадной схеме. Упрощенная схема такого ОУ показана на рис. 7.19. Первый усилительный каскад выполняет­ся на транзисторах VT₁ и VT₂, питающихся от генератора стабильного тока I ₀₁ Как правило, транзисторы в плечах ДК включаются по каскодной схеме ОК—ОБ или ОИ-ОЗ с динамической нагрузкой, обеспечивающей получение однофазного (несимметричного) выхода. Обычно на выходе ДК ставится эммитерный повто­ритель, обеспечивающий передачу сигнала на вход второго каскада. В общей сложности число транзисторов, образующих первый ДК, достигает 13 (схема К140УД8) и более. Во многих случаях в первом каскаде предусматривается балан­сировка нуля выходного напряжения.

Рис. 7.19

Второй усилительный каскад выполнен на транзисторе VT₃ с динамической на­грузкой в виде генератора тока I ₀₂. В каскаде предусматривается включение кор­ректирующего конденсатора между коллектором и базой транзистора, благодаря чему возрастает входная емкость каскада и уменьшается усиление на высоких частотах, что исключает возможность возникновения самовозбуждения при охвате ОУ отрицательной обратной связью. В коллекторную цепь включены ди­оды смещения VD₁ и VD₂, обеспечивающие нормальный режим работы выходно­го каскада, выполненного по двухтактной схеме с защитой от перегрузок.

Промышленностью выпускается большое разнообразие ОУ, которые делятся на две группы: общего применения и частного применения. ОУ частного применения подразделяются на быстродействующие (обладают V_u = 50-75 В/мкс), прецизи­онные (обладают высоким К _u = 10⁶, высоким К_осл.сф. =120 дБ и малым U_см = 1 мВ), микромощные (питаются от источников питания Е_и.п. = ±3 В или ±6 В и потребля­ют ток менее 1 мА), мощные (обеспечивают выходной ток до 1 А) и высоковольтные.

Применение ОУ

ОУ применяют в схемах с глубокой отрицательной обратной связью. Вид выпол­няемых ОУ операций определяется внешними по отношению к ОУ элементами. От параметров самого ОУ зависит только точность выполняемых операций. Рас­смотрим наиболее распространенные устройства на основе ОУ.

Инвертирующий усилитель осуществляет усиление аналоговых сигналов с по­воротом фазы на 180°. На рис. 7.20 представлена схема такого усилителя, а на рис. 7.21 — эквивалентная схема, на которой показано входное сопротивление ОУ R_вх, а усилительные свойства ОУ отражены генератором напряжения с внутренним сопротивлением R_вых

Во входной цепи протекает переменный ток, действующее значение которого равно

. (7.18)

Этот ток разветвляется на две ветви, то есть

Ток I ₂ определяется входным и выходным напряжениями:

. (7.19)

Поскольку I ₁ ≈ I ₂, то

Следовательно, коэффициент усиления схемы равен

(7.20)

Отсюда следует, что К_и определяется внешними резисторами R ₁ и R ₂. Точность зави­сит от R_вх и К_и. Значения R_вх и К_и в современных ОУ достаточно велики, поэтому расчет по формуле (7.20) обеспечивает достаточно высокую практическую точность.

Неинвертирующий усилитель осуществляет усиление электрических сигналов без поворота фазы. В схеме этого усилителя, показанной на рис. 7.22, а, сигнал пода­ется на неинвертирующий вход, а напряжение обратной связи — на инвертирую­щий. Величина напряжения обратной связи равна

Напряжение на дифференциальном входе равно

Принимая во внимание, что собственный коэффициент усиления ОУ достаточно высок, можно считать, что . Следовательно, , Тогда

. (7.21)

Если R₂ = 0, то К _u = 1, то есть схема превращается в повторитель напряжения с высоким входным и низким выходным сопротивлениями.

Логарифмирующий усилитель получается в том случае, когда вместо резистора R₂ в цепь обратной связи включают полупроводниковый диод (рис. 7.22, 6). При этом постоянный ток во входной цепи равен

Постоянный ток через диод равен

Рис. 7.22

Принимая во внимание, что , получаем

Отсюда

(7.22)

То есть выходное постоянное напряжение пропорционально логарифму входно­го постоянного напряжения.

Интегрирующий усилитель получается в том случае, когда вместо резистора R₂ в цепь обратной связи включен конденсатор (рис. 7.23, а). При этом

Так как , получаем

Отсюда

(7.23)

Рис. 7.23

Дифференцирующий усилитель получается в том случае, когда конденсатор вклю­чен вместо резистора R ₁ (рис. 7.23, б).

При этом:

Так как , получаем

Отсюда

(7.24)

Активные фильтры получаются в том случае, когда вместо резисторов R ₁ и R ₂ включаются частотно-зависимые RС -элементы. Если вместо R ₂ включены парал­лельно резистор R ₂ и конденсатор С₂, то образуется фильтр нижних частот с гра­ничной частотой

Если вместо R ₁ последовательно включены резистор R ₁ и конденсатор С ₁, то обра­зуется фильтр верхних частот с граничной частотой

Если RC-цепи включены одновременно вместо R ₁ и R ₂, то образуется полосовой фильтр.

Разновидности АИМС

Номенклатура аналоговых ИМС, выпускаемых промышленностью, позволяет реализовать самые разнообразные функциональные преобразования аналоговых сигналов. По характеру выполняемых преобразований аналоговые ИМС можно подразделить на несколько основных групп:

Усилители предназначены для усиления сигналов. К ним относятся усилители низких, промежуточных и высоких частот, видеоусилители, усилители импульс­ных сигналов и др. Наиболее распространенным видом аналоговых ИС являются операционные усилители, выполняющие функции базового элемента для по­строения многих аналоговых узлов.

Перемножители предназначены для перемножения двух аналоговых сигналов. С их помощью осуществляются различного рода преобразования сигналов — модуляция и демодуляция, умножение и деление частоты и т. д. Функцию пе­ремножения можно представить в виде , где х ₁ и х ₂ — перемножаемые сиг­налы, k — масштабный коэффициент. Простейшая схема перемножителя может быть реализована на основе дифференциального каскада, напряжение на выходе которого , где

Здесь I ₀ — ток, питающий дифференциальный каскад.

Компараторы предназначены для сравнения аналоговых сигналов с опорным на­пряжением. Их основу составляют операционные усилители. На один вход компаратора подается аналоговый сигнал, на другой — опорное напряжение. Если мгновенное значение напряжения аналогового сигнала меньше опорного, то на выходе компаратора формируется высокий уровень потенциала. Если мгновен­ное значение напряжения аналогового сигнала превышает опорное, то на выходе формируется низкий уровень потенциала. Величины выходных напряжений компаратора соответствуют уровням напряжений цифровых ИС, то есть ком­паратор осуществляет преобразование пороговых сигналов в цифровую форму. Компараторы находят применение в качестве пороговых устройств в автоматике, аналого-цифровых преобразователях, дискриминаторах амплитуды импульсов, а также в качестве усилителей считывания сигналов магнитной и полупроводни­ковой памяти.

Стабилизаторы напряжения предназначены для получения стабильных напря­жений, питающих интегральные схемы. Структурно стабилизатор напряжения состоит из управляющего элемента, представляющего собой составной транзи­стор, включенный между входом и выходом схемы, и дифференциального кас­када, вырабатывающего сигнал ошибки, подаваемый на базу составного транзис­тора. На один из входов дифференциального каскада поступает высокостабильное опорное напряжение, на второй — часть напряжения с выхода схемы. Сигнал ошибки пропорционален разности напряжений, действующих на входе диф­ференциального каскада. Когда напряжение на выходе схемы возрастает за счет некоторых дестабилизирующих факторов, сигнал ошибки частично запирает составной транзистор и падение напряжения на нем увеличивается, что ведет к уменьшению выходного напряжения, благодаря чему возрастает стабильность выходного напряжения.

Аналоговые коммутаторы предназначены для распределения во времени сиг­налов, поступающих на обработку от нескольких источников. В основе постро­ения этих ИС лежит схема электронного ключа на базе биполярного или поле­вого транзистора. Широкое распространение получили коммутаторы на базе МДП-транзисторов, включаемых последовательно между источником сигнала и потребителем и работающих в линейном режиме. Для того чтобы пропускать по­ложительную и отрицательную полуволны, коммутатор состоит из двух МДП-транзисторов, один из которых имеет встроенный электронный канал, а другой — встроенный дырочный.

Аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи предна­значены для преобразования, соответственно, аналоговых сигналов в цифровые и цифровых сигналов в аналоговые. Эти преобразователи выполняют в виде боль­ших интегральных схем (БИС), содержащих несколько тысяч элементов, из ко­торых образуются аналоговые и цифровые узлы, обеспечивающие генерирование эталонных напряжений, коммутацию аналоговых сигналов, сравнение аналоговых сигналов с эталонными напряжениями, усиление и преобразование сигналов, мас­штабирование, запоминание и целый ряд других операций. Все это осуществля­ется с высокой точностью и высоким быстродействием.

Специализированные ИМС предназначены для использования в бытовой ра­диоэлектронной аппаратуре. К таким ИМС относятся генераторы электрических колебаний различной формы, детекторы амплитудно-модулированных и частотно-модулированных колебаний, усилители и преобразователи частоты. Созданы ИМС, предназначенные для построения однокристальных супергетеродинных радио­приемников. Большое количество ИМС выпускается для применения в телеви­зионных приемниках. На базе этих ИМС разрабатываются селекторы каналов, тракты изображения, блоки строчной и кадровой развертки, блоки цветности и т. д.

Дата добавления: 2014-01-06