Инвертирующий суммирующий усилитель (инвертирующий сумматор)

Суммирует (с весом) несколько напряжений. Сумма на выходе инвертирована, то есть все веса отрицательны.

Интегратор

Интегрирует (инвертированный) входной сигнал по времени.

Дифференциатор

Дифференцирует (инвертированный) входной сигнал по времени.

Компаратор

Сравнивает два напряжения и выдает на выходе одно из двух состояний в зависимости от того, какое из входных напряжений больше.

 

29)Операционный усилитель – универсальный функциональный элемент, широко

используемый в современных схемах формирования и преобразования

информационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и в

цифровой технике.

Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что, прежде всего

такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования

сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т. д.

Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные

схемы усиления.

30)

 

В ключевом режиме биполярный транзистор работает в режиме насыщения (замкнутый ключ) или режиме отсечки (разомкнутый ключ). Полезно помнить, что в режиме насыщения оба перехода (коллектор-база и эмиттер-база) открыты, а в режиме отсечки - заперты. В режиме насыщения выходную цепь транзистора можно представить эквивалентным источником напряжения, величина ЭДС которого приводится в справочниках ( - напряжение насыщения). Строго говоря, следует учитывать также внутреннее сопротивление этого источника, величина которого определяется крутизной наклона линии граничного режима, однако, в большинстве практически важных случаев для инженерных расчетов можно ограничиться величиной -  . Резисторы и должны обеспечивать надежное запирание транзистора при низком уровне управляющего сигнала во всем диапазоне рабочих температур и насыщение при высоком уровне управляющего сигнала.

  

Рисунок 3 - Схема электронного ключа на биполярном транзисторе

При расчете необходимо учитывать обратный ток коллектора, протекающий через резистор  , и создающий на нем падение напряжения. Суммарное напряжение на эмиттерном переходе определяется выражением:

  ,

где  - максимальный ток обратный коллектора,  - напряжение низкого уровня управляющего сигнала. Очевидно, для надежного запирания транзистора необходимо, чтобы  . Необходимо учитывать сильную температурную зависимость обратного тока коллектора, и для расчета выбирать максимальное значение. В противном случае ключ может "подтекать" при изменении температуры.

Открытый транзистор может находиться в активном режиме или режиме насыщения. Для электронных ключей активный режим является невыгодным, так как в этом режиме на коллекторе рассеивается значительная мощность. Поэтому активный режим допустим только в течение переходных процессов (где он, собственно говоря, неизбежен).

Для обеспечения насыщения необходимо, чтобы выполнялось соотношение  . Ток базы можно определить по формуле:  . Ток насыщения определяется сопротивлением резистора в цепи коллектора, усилительными свойствами транзистора и сопротивлением между коллектором и эмиттером в насыщенном состоянии:  . При расчетах целесообразно пользоваться наихудшим значением  . Отметим, что при нарушении условия насыщения транзистор переходит в активный режим, что сопровождается ростом напряжения на коллекторе и увеличением мощности рассеяния. В ряде случаев используют иной критерий насыщения - прямое смещение обоих переходов транзистора (база-эмиттер и база-коллектор). В активном режиме переход база-коллектор смещен в обратном направлении.

Используя этот критерий, легко понять, что составной транзистор (по схеме Дарлингтона) не удастся полностью насытить, так как база выходного транзистора в лучшем случае может иметь потенциал, равный потенциалу коллектора.

Необходимой частью проектирования электронных ключей является оценка их динамических свойств, определяющих скорость переключения и потери энергии на этом этапе (динамические потери).

Переходные процессы в электронном ключе на биполярном транзисторе характеризуются длительностью цикла переключения, который можно разделить на несколько отдельных этапов:

·задержка включения;

·включение (нарастание тока до величины, соответствующей насыщению);

·задержка выключения (обусловлена рассасыванием заряда в базе при переходе из режима насыщения в активный режим);

·выключение (обусловлено уменьшением тока коллектора до значения, соответствующего отсечке).

Необходимо также учитывать процессы заряда емкостей монтажа и нагрузки, которые не имеют прямого отношения к транзистору, но могут существенно влиять на длительность переходного процесса в целом.

Рассмотрим характерные участки переходного процесса по временным диаграммам (рис.4).

  

Рисунок 4 - Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе

1.Транзистор заперт, ток базы определяется обратным током коллектора, заряд в базе практически отсутствует, на выходе ключа высокий уровень.

2.Потенциал на входе ключа скачком увеличивается, начинается заряд входной емкости. Токи базы и коллектора не изменяются, пока напряжение на переходе база-эмиттер не превышает напряжения отсечки (время задержки включения).

3.В момент превышения напряжения отсечки открывается эмиттерный переход, и транзистор переходит в активный режим. Инжектируемые в базу неосновные носители нарушают равновесное состояние базы, и начинается накопление заряда. Пропорционально увеличивается ток коллектора, обусловленный экстракцией носителей в область коллектора. Время до перехода в режим насыщения - время включения.

4.В режиме насыщения все токи и напряжения остаются постоянными, при этом заряд в базе продолжает нарастать, хотя и с меньшей скоростью. Заряд, превышающий величину, соответствующую переходу в режим насыщения, называется избыточным.

5.При скачкообразном изменении потенциала на входе ключа ток базы также быстро уменьшается, нарушается равновесное состояние заряда базы и начинается его рассасывание. Транзистор остается насыщенным до тех пор, пока заряд не уменьшится до граничной величины, после чего переходит в активный режим (время задержки выключения).

6.В активном режиме заряд базы и ток коллектора уменьшаются до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим отсечки. В этот момент входное сопротивление ключа возрастает. Этот этап определяет время выключения.

7.После перехода транзистора в режим отсечки напряжение на выходе продолжает нарастать, так как заряжаются емкости нагрузки, монтажа и емкость коллектора.

Очевидно, ключевую роль играет степень (глубина) насыщения транзистора  . Для количественной оценки коммутационных параметров можно воспользоваться следующими выражениями:

  ,  ,  , где  .

Существуют схемотехнические методы повышения быстродействия ключа: форсирующая цепочка (рис. 5а) и нелинейная обратная связь (рис. 5б).

  

а) Ключ с форсирующей цепочкой

  

б) Ключ с нелинейной обратной связью

Рисунок 5 - схемотехнические приемы повышения быстродействия

Принцип работы форсирующей цепочки очевиден: при отпирании транзистора ток базы определяется процессом заряда форсирующей емкости (быстрый переход в режим насыщения), в открытом состоянии ток базы определяется резистором, величина которого выбирается таким образом, чтобы обеспечить неглубокое насыщение транзистора. Таким образом, уменьшается время рассасывания неосновных носителей в базе.

При использовании нелинейной обратной связи применяется диод, включенный между базой и коллектором транзистора. Запертый диод не влияет на работу схемы, когда ключ открывается, диод оказывается смещенным в прямом направлении, а транзистор охваченным глубокой отрицательной обратной связью. Для уменьшения времени выключения необходимо обеспечить малое время восстановления обратного сопротивления диода, для чего применяются диоды с барьером Шотки. Монолитная структура диод Шотки - биполярный транзистор называется транзистором Шотки.

Ключи на биполярных транзисторах имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение:

·Ограниченное быстродействие, вызванное конечной скоростью рассасывания неосновных носителей в базе;

·Значительная мощность, потребляемая цепями управления в статическом режиме;

·При параллельном включении биполярных транзисторов необходимо применение выравнивающих резисторов в цепях эмиттеров, что приводит к снижению КПД схемы;

·Термическая неустойчивость, определяемая ростом тока коллектора при увеличении температуры транзистора

 

31)1. электронный ключ на полевом транзисторе

Общие сведения Аналоговый ключ служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Если ключ находится в состоянии "включено", его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному; если же ключ находится в состоянии "выключено", выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю или, во всяком случае, должно как можно меньше зависеть от входного. Существуют различные схемные решения ключей, удовлетворяющие указанным условиям. Их принцип действия показан на рис. 1 на примере механических (контактных) переключателей.

Рис. 1. Схемы ключей На рис.1а представлен последовательный ключ. Пока контакт замкнут, Uвых=Uвх. Когда контакт размыкается, выходное напряжение становится равным нулю. Все это справедливо, если источник сигнала имеет нулевое выходное сопротивление, и емкость нагрузки равна нулю. При значительном выходном сопротивлении источника сигнала напряжение Uвых делится между этим сопротивлением и резистором R. Поэтому эту схему не следует применять в случае, если источником сигнала является источник тока, например, фотодиод. При существенной емкости нагрузки, во время разряда этой емкости при размыкании ключа S выходное напряжение ключа снижается до нуля довольно долго. В схеме параллельного ключа (рис. 1б) Uвых=Uвх при разомкнутом ключе, если входное сопротивление нагрузки ключа бесконечно велико. Если же оно соизмеримо с сопротивлением резистора R, то на резисторе будет падать часть выходного напряжения источника сигнала. При наличии емкостной нагрузки будет относительно медленно устанавливаться выходное напряжение после размыкания ключа. Последовательно-параллельный ключ, показанный на рис. 1в, не имеет недостатков двух предыдущих схем. В любом рабочем состоянии он имеет выходное сопротивление, близкое к нулю.

Электронные ключи

Разновидности аналоговых ключей, показанные на рис. 1, могут быть реализованы на электронных элементах с управляемым сопротивлением, имеющим малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Вследствие неидеальности, они вносят погрешности в обрабатываемые сигналы. Источниками погрешностей электронных аналоговых ключей являются:

· ненулевое проходное сопротивление электронного ключа во включенном состоянии и конечная его величина в выключенном;

· остаточное падение напряжения на замкнутом ключе, т.е. наличие напряжения на ключе при отсутствии через него тока;

· нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) на информационном и управляющем входах;

· взаимодействие управляющего и коммутируемого сигналов;

· ограниченный динамический диапазон (по амплитуде и по знаку) коммутируемых токов и напряжений.

Ключи на биполярных транзисторах и, в особенности, на диодных мостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы милливольт, что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов (менее 100 мВ). Такие ключи имеют высокое быстродействие (время переключения диодных ключей, выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 нс) и применяются для построения сверхскоростных ключей. Более широкое применение нашли ключи на полевых транзисторах.

 

32)Комплементарный ключ состоит из двух МОП-транзисторов с каналами разного типа проводимости, входы которых соединены параллельно, а выходы последовательно (рисунок 19,а). При напряжении на затворах, больших порогового, для транзистора с каналом определённого типа соответствующий транзистор открыт, а другой закрыт. При напряжении противоположной полярности, открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

ЛЭ на комплементарных ключах (КМОП) имеют ряд неоспоримых достоинств.

Они успешно работают при изменении в широких пределах напряжения источника питания (от 3 до 15 В), что недостижимо для ЛЭ, в состав которых входят резисторы.

В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки ЛЭ КМОП практически не потребляют мощности.

Для них также характерны: стабильность уровней выходного сигнала и малое его отличие от напряжения источника питания; высокое входное и малое выходное сопротивления; лёгкость согласования с микросхемами других технологий.

Рисунок 19 Схемы логических элементов КМОП ТЛ: а) инвертор, б) ИЛИ-НЕ, в) И-НЕ.

 

Схема ЛЭ КМОП, выполняющего функцию 2ИЛИ-НЕ, приведена на рисунке 19,б. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал р-типа и открыты при напряжениях на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если на обоих или на одном из входов действует уровень лог. «1», то на выходе схемы будет сигнал лог. «0», что соответствует выполнению логической операции ИЛИ-НЕ.

Если группы ярусно и параллельно включённых транзисторов поменять местами, то будет реализован элемент, выполняющий функцию И-НЕ (рисунок 19,в). Он работает аналогично предыдущему. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал p-типа и открыты при напряжении на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если открыты оба эти транзистора, то на выходе будет установлен сигнал «лог. 0».

Таким образом, сочетание параллельного включения транзисторов с каналами p-типа электропроводности, и ярусного соединения транзисторов с каналами n-типа позволили реализовать функцию И-НЕ.

В ЛЭ КМОП очень просто реализуют элементы с тремя устойчивыми состояниями. Для этого последовательно с транзисторами инвертора включают два комплементарных транзистора VT1, VT4 (рисунок 20,а), управляемых инверсными сигналами

Рисунок 20 Инвертор с тремя выходными состояниями а); согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП б).

 

Согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП можно выполнить несколькими способами:

1) Питать ЛЭ КМОП малым напряжением (+5 В), при которых сигналы ЛЭ ТТЛ переключают транзисторы ЛЭ КМОП;

2) Использовать ЛЭ ТТЛ с открытым коллектором, в цепь выхода которых включён резистор, подключенный к дополнительному источнику напряжения (рисунок 20,б).

При хранении и монтаже следует опасаться статического электричества. Поэтому при хранении выводы микросхем электрически замыкают между собой. Монтаж их производится при выключенном напряжении питания, причём обязательно использование браслетов, с помощью которых тело электромонтажников соединяется с землёй.

ЛЭ КМОП-серий широко применяются при построении экономичных цифровых устройств малого и среднего быстродействия. Параметры некоторых серий ЛЭ КМОП типа приведены в таблице 8.

 

Таблица 8 Параметры некоторых серий ЛЭ КМОП типа

Параметры	серия
	176, 561, 564	1554
Напряжение питания U ПИТ, В	3…15	2…6
Выходные напряжения, В:
низкого уровня U 0 ВЫХ	<0,05	<0,1
высокого уровня U 1 ВЫХ	U ПИТ –0,05	U ПИТ –0,01
Среднее время задержки сигнала, нс:
для U ПИТ =5 В	60	3,5
для U ПИТ =10 В	20	—
Допустимое напряжение помехи, В	0,3 U ПИТ	—
Мощность, потребляемая в статическом режиме, мВт/корпус	0,1	0,1…0,5
Входное напряжение, В	0,5…(U ПИТ +0,5 В)	0,5…(U ПИТ +0,5 В)
Выходные токи, мА	1…2,6	>2,4
Мощность, потребляемая при частоте переключения f =1 МГц, U ПИТ =10 В, C н =50 пф, мВт/корпус	20	—
Тактовая частота, МГц	—	150