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 I—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 U_m = +12 В ±10% и U _ш = -12 В ±10% 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 U от 4,1 до 10,8 В. Например, чтобы разомкнуть выводы 11-10, необходимо на выводы 12-7 подать напряжение Ubx 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_bx и малым выходным сопротивлением Rвых 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 VTI и VT2. Транзистор VT3 совместно с резистором КЗ и транзистор VT4 с резисторами R4 и R5 образуют источник постоянного тока Iо. Это означает, что при всех предусмотренных техническими характеристиками каскада изменениях напряжения питания Un 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 Io 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 Iо. 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.

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

K_oe=U_Bm./U_BX=(R1 + R2)/R1.

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

VI. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционные усилители (ОУ) в интегральном исполнении в настоящее время составляют основу аналоговых интегральных схем. Такие усилители (разумеется, в иных схемотехнических вариантах) использовались для решения операторных уравнений еще в аппаратуре электронной техники первого поколения (см. § 3.1). До появления линейных интегральных схем к классу операционных усилителей относили многокаскадные усилители постоянного тока с обратными связями, которые использовали в аналоговой вычислительной технике для выполнения операций алгебраического сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и т. д. Однако для усилителей постоянного тока на дискретных транзисторах (а тем более на лампах) характерны многочисленные недостатки. Успехи технологии обусловили появление серийных партий ОУ в виде интегральных микросхем, что позволило значительно усовершенствовать их технические и эксплуатационные показатели. При этом наряду с известными были разработаны новые схемотехнические решения, составившие основу интегральных ОУ. Все это существенно расширило универсальность и функциональную ориентацию линейных интегральных ОУ. Таким образом, в настоящее время под ОУ понимают высококачественный усилитель напряжения, предназначенный для выполнения самых разнообразных функций, в том числе и перечисленных. Основные свойства операционных усилителей. Интегральные ОУ обычно строят по схеме усиления с непосредственной связью между отдельными каскадами с дифференциальным входом и биполярным по отношению к амплитуде усиливаемого сигнала выходом. Это обеспечивает нулевые потенциалы на входе и выходе ОУ при отсутствии управляющих сигналов на его входе. Поэтому такие усилители легко соединять последовательно при непосредственной связи между отдельными каскадами, а также достаточно просто охватывать любыми цепями обратных связей.

Как отмечалось, интегральный ОУ имеет обычно дифференциальный вход (два входных зажима). Для обеспечения универсальности применения ОУ должен иметь также два выхода (рис. 4.32, а), с которых можно снять два противофазных напряжения (U _вых1 и U _вых2 . Причем каждое из выход­ных напряжений может быть положительно или отрицательно относитель­но потенциала общей (за­земленной) точки двух источников питания + U _ип и – U _ип. Оба разнополярные выходные напряжения должны иметь примерно одинаковый уровень, в связи с чем требуется равенство по абсолютному значению обоих источников питания.

Большинство стандартных интегральных ОУ имеет один выход (рис. 4.32, б).При этом выходное напряжение U _вых находится в фазе с напряжением U _вх1 и противофазном напряжению U _вх2 .

Напряжение, приложенное непосредственно между входами, равно разности напряжений U _вх1 и U _вх2. Причем это напряжение равно нулю, если последние имеют даже существенно неравные значения. Поэ­тому U _вх1 и U _вх2 по отношению к общей точке назы­вают напряжениями общего вида, а их разность — диф­ференциальным напряжением.

Из технических соображений, а частично по тради­ции, в инженерной практике в большинстве случаев применяют усилители напряжения. Развитие микро­электроники еще в большей степени усиливает эту тенденцию. Выпускаемые ОУ характеризуются большим входным и низким выходным сопротивлениями, а также высоким коэффициентом усиления. Представляя ОУ идеальной моделью, считают, что К_U → ∞, R_BK → ∞, R _вых → 0. Кроме того, к основным признакам идеаль­ного ОУ следует также отнести бесконечно широкую полосу частот, начиная с частоты f = 0; постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот; отсутствие статических, шумовых и дрейфовых ошибок во времени и в диапазоне температур.

Питание ОУ осуществляется от двух соединенных последовательно источников с одинаковыми постоянными напряжениями U _ип1и U _ип2 или от одного источника со средней точкой, которая заземлена (рис. 4.33, а). При использовании соответствующих делителей напря­жения возможно питание ОУ от одного источника, однако это приводит к увеличению потреб-ления энергии и снижает показатели ОУ.

К входам усилителя прикладывается напряжение u _вхот источника диффе-ренциального сигнала Е _и с внутренним сопротивлением, равным нулю. При этом U _вх является дифференциальным напряжением незави­симо от того, какой из входов усилителя заземлен.

Как входное, так и выходное напряжения могут симметрично изменяться относительно нуля (быть биполярными), как это видно из передаточной характе­ристики ОУ U _вых = f (U _вх) (рис. 4.33, б). При зазем­ленном неинвертирующем входе, как показано на рис. 4.33, а, передача сигнала на выход усилителя осуществляется с инвертированием фазы входного сигнала (передаточная характеристика 1). В случае заземления инвертирующего входа фаза усиливаемого сигнала в процессе усиления не изменяется (пере­даточная характеристика 2). Выходное напряжение снимается относительно средней точки источников питания (корпуса). Если U _вх = 0, то U _вых = 0, что отражает условие баланса ОУ. При отсутствии внешних цепей обратных связей, как в данном случае, наклон передаточных характеристик ∆ U _вых/∆ U _вх определяется собственным коэффициентом усиления К_U . Предельное значение амплитуды выходного сигнала весьма близко к 2U _ип .

Типовые применения ОУ. Традиционными областями применения ОУ являются решающая аналоговая техника, аппаратура обработки сигналов, радиоизмери-тельные устройства и др., в которых часто требуется выполнение операторных уравнений при замыкании выхода ОУ на инвертирующий вход с помощью пассивных цепей отрицательной обратной связи. При рассмотрении основных типовых применений ОУ в названных об­ластях будем полагать, что влиянием собственных параметров усилителя с учетом того, что К_U и R _вх достаточно велики, а R _вых достаточно мало, можно пре­небречь.

Сумматор со многими входами. На вход сумматора (рис. 4.38, а) от неско-льких источников с выходными сопро-тивлениями R ₁, R ₂ , R ₃ ,... поступают вход-ные сигналы U _и1, U _и2, U _и3 ,.... Кроме того, к входу усилителя (точка А) через сопротивление обратной связи AV под­водится часть выходного напряжения U _вых. При этом необходимо учитывать, что небольшое выходное сопро­тивление усилителя входит в сопротивление R_oc.

Компаратор напряжения. Компараторное включение операционного усилителя используется для сравнения напряжения источника сигнала U _н с опорным напря­жением u ₀. В компараторном режиме обычно отсут­ствуют цепи отрицательной обратной связи с подачей сравнивающих сигналов на один или оба входа усили­теля.

Для сравнения разнополярных входных напряжений используется одновходовый компаратор (рис. 4.39, а), в котором исследуемый и опорный сигналы поступают на инвертирующий вход усилителя. В промежутке времени 0— t ₁(рис. 4.39, б) выполняется неравенство | U _и| < | U ₀|, поэтому U _вх > 0 и напряжение на выходе компаратора U _вых = U _{вх mах}» – U _нп (напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя и его выходе – разнополя-рны). В момент времени t ₁входной сигнал достигает порогового значения.

VII. ВЫПРЯМИТЕЛИ ОДНОФАЗНОГО ТОКА