книги / Применение аналоговых микросхем

Минимальное время выборки находим, определяя оптимальное значение Гвоз из уравнения dt*s/dt=0

^воз — О,5ГВ„(1+1/Г+Х).

мально достижимая погрешность недозаряда бн равна погрешности передачи

УВХ «п = 1/(/С £, / ^ ) < 0 н.

Для достижения требуемой динамической ошибки бд=бу4-бн, необходимо чтобы ôH<ôy. Выбирая ôn=ôy/10 и выражая в соответствии со сказанным ft

и коэффициентом усиления каскада Л2, а чем меньше требуемое значение Kru2 , тем достижимо большее значение f2, то из (8.17) следует, что необходимо вы­

(а следовательно, и минимальное ty$) и допустимой емкости С'э. Однако точ­ ность передачи бп и минимальное значение бн должны полностью обеспечиваться усилителем А1. Очевидно, что максимальное значение U можно достичь в одно­ каскадном усилителе, который должен иметь большие выходное сопротивление и коэффициент усиления. Минимальное выходное сопротивление простейшего усилителя тока примерно равно половине выходного сопротивления транзистора с общим эмиттером, т. е. Явых1^200 кОм. Тогда, учитывая, что i?Bbixi<flnx2, «100 Ом, г]= 2, у = 1 , из выражения (8.17) получаем оптимальные значения /то в зависимости от параметров используемых МДП-транзисторов, так, при тук= =0,03 нс получим /то^12 МГц, а при тУк=0,3 нс /чо=1,2 МГц. Заменив в вы­ ражении (8.17) бу=10бп на 10/К'и1Р получим значение оптимальной емкости конденсатора CtQ=KuJ(2nhoRв). Например, при типовом значении /< у ,= 1 0 \ Л«ых1ИЛвх2-200 кОм иЧ то=12 МГц получим C:o=s600 пФ.

Максимальное значение пропускной способности УВХ с интегратором в цепи общей ОС получим при определенных выше наилучших условиях AUy/Urо=4,

где ВЫХi/5r.

сравнения с пропускной способностью УВХ на МДП-ключах приведена зависи­ мость C/3max=f(ô) для лучшей третьей структуры при тук=0,03 нс и с исполь­ зованием компенсации бу на 90 % (штрихпунктирная линия). Из рис. 8.15 видно, что в УВХ с управлением по цепи питания даже при этих условиях достижима в 5 7 раз большая пропускная способность.

Полупроводниковые УВХ и их применение. Рассмотренные вы­ ше структуры УВХ положены в основу выпускаемых серийно полу­ проводниковых микросхем. Наиболее удачным по сочетанию пара­ метров является УВХ КР1100СК2. Структура микросхемы (см. приложение 8.3) отличается от схемы на рис. 8.11,6 тем, что для повышения быстродействия в качестве аналогового ключа приме­ няются биполярные комплементарные транзисторы, обеспечиваю­ щие минимальное сопротивление в открытом, состоянии. Использо­ вание для управления аналоговым ключом дополнительной логиче­ ской схемы У/ обеспечивает работу УВХ от ТТЛ- и КМОП-схем. Пороговое напряжение схемы управления задается внешним ис­ точником. При этом дифференциальное напряжение между выво­ дами устройства управления 0,8 2,4 В. Вместе с тем на входы устройства управления не допускается подача сигналов больше и+п —3 В и меньше t/”n + 3 В. Основные параметры УВХ КР1100СК2, разводка выводов и рекомендуемые внешние цепи при управлении от ТТЛ-, КМОП-схем и от источника двухполярных сигналов даны в приложении 8. Ниже представлены некоторые способы улучшения параметров УВХ КРИ00СК2 и примеры их применения для формирования и обработки аналоговых сигналов.

При обработке аналоговых сигналов с амплитудой меньше 1 В их необходимо усилить до 5 В, чтобы было минимальным влияние погрешностей УВХ. Для этого ко входу УВХ подключается преци­ зионный ОУ типа К140УД14, охваченный общей отрицательной с выхода УВХ (рис. 8.17,а). Коэффициент передачи K U = R ZIRA>При Ки<100 может потребоваться введение в схему дополнительно-

Рис. 8.17. Устройство выборки-хранения с усилением входного сигнала (а) и уве­ личенным временем хранения (б)

в режиме хранения. Это необходимо для уменьшения времени выборки за счет исключения задержки, обусловленной длитель­ ным переходом ОУ К140УД14 из насыщения в линейный режим работы. Чтобы дополнительно уменьшить время выборки, реко­ мендуется между выходом УВХ и выводом для подключения С3 включить параллельно два диода. Диоды ускоряют заряд С3 за счет дополнительного тока с выхода УВХ.

Во многих случаях от УВХ КР1100СК2 требуется запомнить амплитуду короткого (10 мкс) входного сигнала, а затем дли­ тельное время (1 с) его хранить практически без изменения ис­ ходного значения. Для решения этой задачи можно воспользо­ ваться структурой, состоящей из двух последовательно включен­

быстрая выборка t/BX, но и значительное изменение хранимого напряжения. Логический сигнал длительностью 5 10 мкс по­ ступает одновременно на первое УВХ и таймер, включенный по схеме одновибратора (см. гл. 3). На выходе таймера с задерж­ кой 100 150 нс формируется импульс длительностью 10 ...

...15 мс, который переводит в режим выборки второе УВХ. Та­ кая длительность импульса необходима, чтобы обеспечить заряд С32 с большой емкостью. Таким образом осуществляется искус­ ственное увеличение длительности UBXy необходимое для его за­ поминания вторым УВХ, и точное хранение выбранного за ко­ роткое время значения 1/вх.

С помощью УВХ можно «очистить» аналоговый низкочастот­ ный сигнал от импульсных помех. Такая задача всегда возникает при обработке телеметрических аналоговых сигналов, поступаю­ щих по длинным линиям связи. В этих случаях аналоговый сиг­ нал содержит высокочастотные гармоники, обусловленные рабо­ той системы цифровой обработки информации и управляемых ею силовых приборов (реле, электродвигатели). Если такой анало­ говый сигнал подать на вход УВХ и управлять его работой им­ пульсами минимальной длительности, формируемыми тактовым генератором цифровой системы, то УВХ будет выполнять роль фильтра нижних частот. Таким образом, одна микросхема может заменить громоздкие пассивные или дорогие активные фильтры, применяемые обычно для решения таких задач.

В тех случаях, когда не требуется высокого быстродействия и необходимо построить УВХ с минимальной потребляемой мощно­ стью, целесообразно использовать микросхему КР1100СКЗ. Она содержит парафазный ОУ, выполненный на двух дифференци­ альных усилителях и коммутаторе на четырех переключателях на полевых транзисторах (см. табл. П8.3). Основное включение микросхемы обеспечивает ее использование в качестве УВХ. От-

236

ключив коммутатор, можно использовать микросхему в качестве ОУ с параметрами аналогичными параметрам К140УД8. При уп­ равлении от ТТЛ-схем (с открытым коллектором) на вывод 2

8.3.2.ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Втех случаях, когда ЦАП или АЦП не содержат встроенного источника опорного напряжения, его проектируют на базе ОУ. При этом непосредственно опорное напряжение формирует опор­ ный элемент (обычно стабилитрон), а ОУ обеспечивает требуе­ мый режим работы опорного элемента и его согласование с на­ грузкой.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона (рис. 8.18,а) не

параллельна оси тока в рабочей области стабилитрона, посколь­ ку его динамическое сопротивление гСт = Л £ /ст/Д /Ст конечно и при­ мерно равно 10 Ом. Сопротивление гст образует с нагрузкой RB делитель (рис. 8.18,6), уменьшающий напряжение t/вых. Напри­ мер, при отключенной нагрузке /ст=7,5 мА, UBUX= U Cт= 6 В. Однако при подключении нагрузки с сопротивлением 5 кОм в нее ответвляется ток 1 мА и /ст=6,5 мА, а напряжение t/BbIX уменьшится на 10 мВ. Следовательно, относительное изменение Uвых 0,16%. Кроме этого, уменьшение /ст изменяет относительный температурный коэффициент изменения напряжения t/CT. В то же время при изменении напряжения питания на At/n изменяется t/вых на АиВых—ЛипгСт1 (гст+Rr). Например, если At/n= l,2 В,

ТО At/вых^ Ю мВ.

Зависимость ивых от Un можно существенно уменьшить, если включить вместо Rr транзисторный генератор постоянного тока

Рис. 8.18. Вольт-амперная характеристика (а) и схема включения (б) стабилитрона

237

с выходным сопротивлением /?вых!Э>гст. Несмотря на то, что со­ противление /?вых генератора тока может меняться при изменении Uп, его величина (около 200 кОм) остается значительно больше гст. В свою очередь, зависимость С/ВЫх от / н можно практически исключить, подключив R H к стабилитрону через повторитель на ОУ.

В одной из наиболее простых практических схем источника опорного напряжения на ОУ почти исключено влияние Un на С/Вых благодаря введению положительной ОС (рис. 8.19,а). Цепь положительной ОС с выхода на неинвертирующий вход ОУ об­ разуют резисторы RI, R2. Коэффициент передачи по цепи поло­ жительной ОС, равный Р п= # 2/ (# i+ # 2)> должен быть меньше единицы, чтобы исключить самовозбуждение ОУ. Выходное на­ пряжение источника £/вых=£/ст/(1—Рп). Неинвертирующий вход ОУ смещается цепью R1R2 в сторону положительного напряже­ ния U+п, благодаря чему можно заземлить и резистор R3, за­ дающий ток в стабилитроне VD1, и вывод подключения отрица­

обходимо учитывать, что для нормальной работы большинства современных ОУ напряжение на неинвертирующем входе должно быть больше на 2 3 В напряжения £/~п. Выбирать сопротив­ ления RI, R2 необходимо с учетом максимально допустимого вы­ ходного тока использованного ОУ. Дрейфовые характеристики описанного источника определяются стабилитроном VD1.

Чтобы получить температурный дрейф выходного напряжения меньше дрейфа напряжения стабилитрона, в схему источника включают компенсатор на ОУ (рис. 8.19,6). Использование ком­ пенсатора (обведен штрихпунктирной линией) позволяет в широ-

238