книги / Применение аналоговых микросхем

Рис. 2.38. Схема генератора с двойным RC-контуром

Рис. 2.39. Схема генератора с мостом Вина

плитуды. Наибольшее распространение получили генераторы си­ нусоидальных сигналов на ОУ, охваченных положительной обрат­ ной связью, которая действует на определенной частоте. На этой частоте цепь обратной связи сдвигает фазу выходного сигнала на 180° по сравнению с входным.

Для стабилизации амплитуды выходного сигнала применяет­ ся отрицательная обратная связь, которая изменяется в зависи­ мости от амплитуды выходного сигнала таким образом, что в ре­ зультате ее действия амплитуда выходного сигнала не изменяет­ ся. В качестве частотно-зависимых сдвигающих фазу цепей целесообразно использовать цепи на резисторах и конденсаторах, которые совместимы с интегральной технологией. Дифференци­ альный вход ОУ дает возможность организовать положительную и отрицательную обратную связь. Из большого числа известных схем генераторов наибольшее распространение получили схемы с двойным /?С-контуром и с мостом Вина в цепи обратной связи.

На рис. 2.38 приведена схема генератора с двойным 7?С-кои- туром в цепи обратной связи. Частота колебаний выходного на­ пряжения определяется соотношением юо=1 IRC. Сопротивление /?2 и емкость С1 выбираются из равенств R2= R {l+ k) /2; Ci = = 2С/(1+А), где ft= ~4//C V

Преимуществом этого осциллятора является возможность простой регулировки частоты. На низких частотах регулировка обеспечивается изменением сопротивления R2l на высоких —ем-

кости Ci. Стабилитрон VD1 и диод VD2 устанавливают постоян­ ную амплитуду выходного сигнала генератора.

На рис. 2.39 приведена схема генератора с мостом Вина в це­ пи обратной связи. Частоту выходного сигнала можно регулиро­

ния напряжения на диоде VD1 при изменении протекающего через него тока на Д/д. Проектирование схемы упрощается, если пара­

На рис. 2.40 приведена схема генератора, в которой полевой транзистор использован в качестве сопротивления, управляемого

Рис. 2.41. Схема генератора прямоугольных и треугольных сигналов

ратора от своего максимального значения U\ к минимальному U2 формируются сигналы, период которых 7’=Ci/?i/?3[(i7i—U2)/U\+ + (U\—U2)/U2] //?4- Если \Ui\ = \U2\, т. е. формируется на вы­ ходе компаратора симметричное относительно нуля выходное напряжение, то T=4R\RQCI /R4. Сопротивление резистора R1 не­ обходимо выбирать таким, чтобы ток через него hx<^UijRu где /вх — входной ток ОУ К153УД6. Период, а следовательно, и час­ тоту выходных сигналов можно регулировать с помощью RL

ГЛАВА 3

КОМПАРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Компараторы занимают промежуточное по­ ложение между аналоговыми микросхемами и цифровыми микро­ схемами и являются простейшими аналого-цифровыми преобразо­ вателями. По массовости применения в микроэлектронной аппа­ ратуре и номенклатуре компараторы уступают среди аналоговых микросхем только ОУ. Компараторы можно отнести к специализи­ рованным ОУ, в которых нормальным является нелинейный ре­ жим работы каскадов. Компараторы предназначены для сравне­ ния входного сигнала с опорным. При этом в зависимости от того, больше входной сигнал опорного или меньше (на доли милли­ вольта), на выходе компаратора за минимальное время должно установиться напряжение лог. О или лог. 1. Приемниками выход­ ных сигналов компараторов обычно являются логические схемы. Поэтому выходные напряжения каждого компаратора согласуют­ ся с логическими схемами ТТЛ, ТЛЭС или КМОП.

Точность сравнения компараторов характеризуется напряже­ нием, на которое необходимо превысить уровень опорного, чтобы

компараторов является ДУ с резисторной нагрузкой. Особенно противоречивы требования к параметрам элементов и режиму работы входного ДУ, который определяет входные параметры компаратора (входные токи, напряжение смещения нуля, их температурные дрейфы и т. д.) и должен за минимальное время при минимальной потребляемой мощности обеспечить максимальный сигнал для переключения промежуточного усилителя.

3.1.ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПАРАТОРОВ

СОПТИМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Основные схемотехнические различия совре­ менных компараторов заключены в ВФ. Последний мо­ жет быть эмиттериым повторителем (jxA710, рА711, 521СА5), од­ новходовым (LM111) или дифференциальным (Аш685) усилите­ лем, логическим элементом (Am686, SE527) и т. д. Однако, неза­ висимо от своей конструкции, ВФ должен быть усилителем мощ­ ности, формирующим на выходе компаратора соответствующие уровни напряжений U0 или UK Из сказанного следует, что задачу проектирования компаратора с оптимальными параметрами мож­ но свести к оптимизации структуры из двух последовательно включенных ДУ с учетом входных параметров ВФ.

При £/вх д= | UH\ <3фт токи Ii и / 2 через ДУ1 и ДУ2 почти полностью пере­ ключены в одно из плеч, и напряжения на выходах каскадов устанавливаются в соответствующие крайние состояния. Это исходное состояние компаратора. Затем полярность UBXд меняется, и на входе устанавливают небольшое диффе­ ренциальное напряжение U\ —5 мВ, при котором обычно измеряется ttt совре­

менных компараторов напряжения (см. рис. 3,1). В этом случае для полного пе­ реключения тока h в другое плечо ДУ2 (это обеспечит максимальное изменение тока в его нагрузке и, следовательно, минимальное время переключения выход­ ного напряжения) необходимо, чтобы дифференциальное выходное напряжение ДУ1 изменилось от исходного —I\Ri до t/s»=2<рт ( ^ 2^ 4фт, если на входе ДУ2 использованы составные транзисторы). Последнее происходит под действием изменения тока в нагрузке ДУ1 Zi—Ri\\(\/pCi) на величину А/m = /i( 1—(-/С).

Предполагая вначале транзисторы ДУ безынерционными, будем считать AJHI идеальным перепадом тока в нагрузке Z\, Тогда задержку fni, вносимую ДУ1, определим, приравняв оригинал от ZiMa\/p к I\R\-\-V2:

в момент tni на вход ДУ2 поступает идеальный перепад напряжения U2. Тогда

где Яг^ЛкгПЯвхз; Дк2 — сопротивление резисторов в коллекторных цепях тран­ зисторов ДУ2; Явхз — входное сопротивление выходного формирователя; С2 — емкость конденсаторов, действующих на выходных ДУ2; 1/3— минимальный диапазон изменения выходного напряжения ДУ2 от исходного значения (при ^вхд=^и) до требуемого для полного переключения тока в нагрузке формиро­ вателя.

Общее время переключения двух ДУ и ВФ без учета инерционности тран­ зисторов ДУ

ки tns в ВФ. Обычно стремятся обеспечить А,<1, чтобы выходной формирова­ тель не вносил дополнительной задержки.

Полезная мощность, затрачиваемая источником дифференциального входно­

образом, компаратор с ДУ на входе будет иметь близкие к предельным значе­ ниям энергии Ав и Л„, если режим работы и параметры элементов его каскадов выбраны в соответствии с выражениями (3.6) и (3.11).

Включение эмиттерных повторителей (ЭП) на входе ДУ1, которое исполь­ зуется в прецизионных компараторах LM111, ICL8001, не является, как может показаться, кардинальным способом уменьшения полезной энергии А* без уве­ личения Ап. Однако ЭП позволяют значительно уменьшить полную энергию, за­ трачиваемую источником сигнала, за счет исключения действия тока перезаряда

с ЭП и без них примерно одинаковы, но абсолютное значение энергии, затрачи­ ваемой на перезаряд входной емкости в компараторе с ЭП, более чем на по­ рядок меньше. Последнее объясняет причину, из-за которой сравнительно мед­

цепи транзистора ЭП; /„ — ток в ЭП. Учитывая, что в этом случае / пх= 2/а/Л21Э

Проведенные оценки подтверждаются данными табл. 3.1, которые вычисле­ ны при типовых для компараторов при С/см^б мВ и Ui=b мВ. Как видно из табл. 3.1, в компараторах К521СА5 и К597СА1 достигнуты сочетания энергий Лв и Ап, близкие к предельным. Нетрудно проверить, что режимы работы кас­

компараторов следующая. Из выражения (3.11) вычисляется отношение / 1//2 и подставляется в (3.7) и (3.10), что при известных технологии изготовления компараторов, величинах />, X и входных параметрах ВФ дает систему уравне­ ний с неизвестными в левой части

Як2. При использовании ЭП на входе компаратора оптимальное значение тока / п в этих повторителях вычисляется из выражения (3.12).

Полученные выше предельные соотношения и количественные оценки позво­ ляют просто определить и реализуемость исходных требований на разработку компаратора. Пусть, например, требуется разработать компаратор, переключае­ мый входным сигналом £Л=5 мВ, имеющий /пх=0,1 мкА, £/см= 5 мВ, /п'= 40 нс,

требуемое значение tu=tn'—2та =35 нс.

Рассчитаем Ап и А„, которые будет иметь такой компаратор: AD= 2 / DX(C/i-b -f-C/CM)/n=0,6-10“ 4 пДж, Ап= (Un+In+-{-UJrIn'~)t4=3 нДж. Поскольку получен­ ное значение Ав меньше расчетного предельно достижимого, а Ап близко к свое­ му предельному значению, то можно сказать, что такой компаратор в настоя­ щее время не реализуем.

3.2. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Основные схемы включения и параметры компа­ раторов напряжения приведены в приложении 3. Наряду с общи­ ми требованиями по применению компараторов каждый из них обладает определенной спецификой работы и, следовательно, ис­ пользования. Компараторы, получившие наибольшее распростра­ нение в микроэлектронной аппаратуре, можно разделить на четы­ ре группы: общего применения (К521СА2, К521СА5), прецизион­ ные (К521САЗ, К597САЗ), быстродействующие (К597СА1, К597СА2) и специализированные (К521СА1, К521СА4, К1121СА1, К1401СА1). Компараторы К521СА2 и их усовершенствованная мо­ дификация в плоском корпусе К521СА5 отличаются средними по-