8.10.1. Перемножитель типа МС 1595L фирмы Motorola

Схему типа МС 159ЭЬ i(MC 1495L), являющуюся первым интегральным аналоговым перемножителем, начали выпускать >в il969 т. Принципиальная схема и

основные параметры п,ри1ведены соответствевно на рис. 8.30 я в табл. 8.1.

1 г j4-

Jl3 T,f

-о

п

т

Ri 500

rb 500

Рис. 8j30. Цринципиальвая схема перемножйтеля .типа МС 159(5L

рисунка видио, что схема перемножителя довольно проста. Поокольку в ией содержится только базовая цепь (упра1вляема!55 током четырехквадрантного перемножителя), два входных преобразователя (в них модифицированные пары Дарлингтона обеспечивают высокое входное сопротивление) и управляемые .током источники, щля ее ормальной работы требуется ряд вяешяих элементов (они показаны на рис. 8.31). Здесь g и i?o ивляются Т01козадающим.и резисторами для токов /g /2 и /о/2; резисторы цепи офатной связи Rx и Ry предназначены для линеаризации характеристик входных преобразователей; Rk\ и ?к2 - коллекторные резисторы нагрузки; Rs предназначен для задания рабо-

Таблица 8.1

Измерены в схеме, приведенной на рис. 8.31. Измерены без выходного преобразователя.

чей точки [управляемых током дифференциальных .каскадов. Операциоиный усилитель У и связанные с .ним .вопомогателыные элементы -образуют разностный усилитель, котОрый используется в качестве выходного .преобразователя и формирует асимметричное выходное напряжение Uz. Потенциометры П]-Пз предназначены для регулировки начального смещения.

U(ISB)

Un (rSB)

Ряс. 8.31. .Поляа.я сх€.м.а .со-едияеняй перемножнтеля типа MQ 1595L

Порядок расчета внешнях цепей проиллюстрируем на примере. Пусть нео-б-ходимый размах выхо1дного напряжения и диапазон входных напряжений составляют ±10 В. Тогда единичные напряжения равны .10 В, К=-0,1 и Лц . =-I. При /g/2 и /о/2, равных, например, 1 мА, и напряжении питания С/-п= =-13 В необходимы резисторы с соцротивлениями: /?g=/?o= (15-0,7)В/1 -мА- -0,5 кОм=13,8 кОм. Для того чтобы о.ббопечить В'озможность регулировки тока / g, сопротивление должно -быть реал.изовано в виде последовательно соединенных резистора и потенциометра.

Пусть -напряжения Uхй и Uyu будут ограиичены полуторакратной величи- ной единичного напряжения (в противном случае окаж.утся зяачительньши погрешности, обусловленные нелинейностями на .краях диапазона). Из выражений (8.34) и (8.46) получим

RxRy.

i2Ux4lh=S.UY,II=ZG B/2mA=i15 ikOm;

Rki=Rk2

KIRxRyIAA-

= (-0,l-2-;152)/(-4) lil kOm.

При единичных .напряжениях 10 В .минимальные напряжения яа базе и коллекторе транзисторов управляемых током дифференциальных каскадо.в со- ставят 13 и 6 В соответственно. Падения иапряжения .на коллекторных резисторах состав.ят ±5 В по переменной и ill В по 1по.стоя.Н1Ной составляющим. Необходимое .для .работы в линейной области напряжение питания .положительной полярности определяется из соопношення t/n =i(16-m-H5).B.=32 В. Необходимое напряжение на базе, равное 13 В, может быть получено от источника 1/п+ при помощи балла1ста.ого резистора /?в=КЭ2-12-10,7) Б/2 мА 9,1 кОм.

Поскольку напряжение Uz примерно равно (116-1-5) .В=21 В, целесообразно понизить синфазную составляющую напряжения на входе разностного усилителя до 0,1 lOT ее первоначального ан-ачения и .задать Аи д рав;ным единице. Это условие выполняется при параметрах элементов, .указанных на 1ряс. 8.31. Бла-18* 387

!годаря опрокидыванию фазы .выходными преобразователями показанная на рис. 8.31 цепь является инвертирующим яеремножителем. Таким образом, t/z = =0,Шх1/г.

Потенциометры регулировки .входного щапряжения смещения П1 и Пг иклю-чены последовательно с делителями напряжения R1-R2 и Rs-Rt. Для того чтобы обеспечить достаточно точную регулировку, резисторы Ri и Rs должны быть выбраны такими, ятобы их сопротивления в 100-1000 раз превышали сопротивления резисторов Ru и Ri, которые, >в свою очередь, должнь! быть равными соответствующим внутренним сопротивлениям источников. Аналогичным образом Rcu следует выбрать в 100-1000 раз болыпим сопротивления резистора Rs.

Во многих случаях требуемое напряжение 11+ оказывается слишком большим и иеудобньгм в применении. Значение этого апряжепия .может быть снижено с 32 до 15 В либо путем выбора меньшего единич-ного напряжения, например 5 В, и одновременного уменьшения сопротивлений и управляющих -напряжений, либо путем уменьшения сопротивлений Rki и Rk2 с соответствующим увеличением Аи, . . . . -

8.10.2. Перемножитель типа МС 1594L фирмы Motorola

Центральным звеном перемножителя МС 1594L (МС ,1494L) является такая эке базовая цепь, как и ш yciipoftcTBe типа МС 1595L. В составе той же ИС имеются встроенные дополнительные узлы: регулятор и выходная цепь. .Последняя имеет несим.метрич1ный выход по току и состоит из управляемого током дифференциального каскада, .к .выходу которого подключена фазосуммирующая щепь.

Упрощенная принципиальная схема перемножителя приведена на рис. 8.32, ,а основные характеристики - в табл. 8.2.

Таблица 8.2

* Измерены в схеме, приведенной на рис. 8.33й.

Регулятор предназначен для зада1ния рабочей точки. Токи всех источников зависят от одного внешнего резистора R, включенного в эмиттерную цепь транзистора Т^в. Этот резистор Может быть подключен к выводам 1 и 3. Из технических характеристик следует, что м.инимальная температурная зависимость имеет место при /g=/o=l мА. Поэтому желательно, чтобы токи источников выбирались преимущественно равными 0,5 мА посредством выбора 16кОм.

Второй задачей регулятора является формирование стабилизированных напряжений смещения. Ток нагрузош, при отором температурная зависимость этих надряжений минимальна, равен I мА. Для того чтобы обеспечить это оптимальное значение тока нагрузки, подключаемые между вывода.ми 2 и 4 потенциометры должны Иметь такие сопротивления, чтобы их суммарное сопротивление равнялось 8,6 ikOm.

Выходная цепь представляет собой усилитель тока с большим выходным сопротивлением. Как указывалось выше, она состоит из управляемого током .дифференциального усилителя и фазосуммирующей цепи. В пер'вом из них .ис-

Phic. 8.32. Упрощенная .прнпцмиальная cxe.va перелш-ожителя типа \C I594L

пользуются комплемеитарные транзисторы Т^-Ти, а поолещ-няя работает в режиме активной агрузки. Ее .несимметричный выход по тов<у, пропорциональный дифференциальном.у выходному току базовой цепи, может быть преобразован в выход по .нацряжению при помощи либо яесимметричного резистора нагрузки Rh, либо резистора пагруаки я ОУ (рис. 8.33).

20А ii т 3 --*20к ~*1 ,

% НС

Uyl,

tR UfUY

>

Рис. 8.33. Схемы соединений перемножителя типа МС 1594L

8.10.3. Перемножитель типа AD 530 фирмы Analog Devices

AD530 представляет собой полную интегральную схему перемиожителя (рис. 8.34). Она состоит из базовой цепи, выходного преобразователя и рада вспомогательных элементов (рис. 8.35).

Табл,ица 8.3

f/npx, l/npY, мВ

/вх (по входам X, У, Z), мкА /?вх (по входам X, У, Z)

Ь^выхшах (при

/?h>2 кОм), В

tbx с max, В

и, h %

/пм, кГц /овект=1 %. кГц

10 МОм, 6 МОм, 36 кОм более ±10

более tfclO 1 МГц, 75 кГц 750 5

Рис. 8.34. Схема соединений пере-множигеля ггип.а AD.530

Jte TjT

/7 7

Рис. 8.36. Упрощенная принципиальная схема шеремвожителя типа AD530

Выходным преобразователем является разностный усилитель. В отличие ог базовой цепи и широкополооного ОУ с частотной коррекцией, изготовленных в виде полупроводниковой ИС, в разностном усилителе используются тонкопленочные резисторы.

За иоключеиием четырех подстроечных потенциометров, показанных на рис. 8.34, для схемы не требуются внешние элементы. Поскольку выводы могут быть соединены между собой различными способами, схему епооредствен-но можно использовать е только для выполнения операции умножения, но и деления, возведения в вадрат или извлечения вадратното корня.

Основные параметры перемножителя AD530 сведены в табл. 8.3. Недавно появились усовершенствованные модификации AD(531-534).

8.10.4. Перемножитель типа МС 1596G фирмы Motorola

МС 1596G представляет собой интегральный модулятор-демодулятор. ЭтО' устройство предназначено для получения дроизведения напряжения и коммутирующего сигнала и может быть рекомендовано для использования в балансных

и линейных амплвтудных

6 о

/л

</<7

1/н

Рис. 8j36. ПрииципиалБная схема моду-лятора-иемодулятора типа МС 1596G

модуляторах, синхронных детекторах-- и т. п.

Максимальные частоты несущего модулирующего сигналов (частоты коммутирующего и KOMMyTHpyeMorOi сигналов) равны соответственно 300 .и 80 МГц.

Принципиальная схема показана на рис. 8.36. Транзисторы Ti и Тг образуют преобразователь напряжение-ток, который формирует ток, пропорциональный модулирующему напряжению. Дифференциальные каскады, на транзисторах Тг-Тъ являются источниками тока. Каждый из них задает ток /о/2.

.Поскольку Тдифференциальные каскады работают- в нелинейном режиме, то В качестве коммутирующего-может быть использован й синусоидальный сигнал. Если действующее' значение напряжения несущей .превышает ,100 -мВ, транзисторы Гз-Ге будут -действовать как почти идеальные, ключи. .В результате амплитуда выходного сигнала будет зависеть только от модулирующего сигнала. Диапазон изменения модулирующего сигнала, в пределах .которого функция преобразоваиия является линейной, задается пр,и .помощи внешнегси рез'истора обра.тной связи Rx.

13 500

ГЛАВА 9

ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ АНАЛОГОВЫХ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЕЙ

Наряду с интегральными ОУ интегральные аналоговые перемножители являются наиболее универсальными функциональными Модулями, имеющимися в распоряжении разработчиков аналого-

вых систем. Наиболее характерными из всех многочисленных областей применения перемножителей являются приборостроение и устройства контроля и регулирования. Измерение скорости, ускорения, мощности и других параметров, регулирование характеристик преобразования и передаточных функций, решение нелинейных уравнений, генерирование напряжений специальной формы- это всего лишь несколько примеров многочисленных возможных применений перемножителей. В последнее время аналоговые иеремножители стали широко применяться в технике связи, в частности, в частотных и фазовых детекторах, амплитудных, частотных и фазовых модуляторах и демодуляторах, устройствах регулирования коэффициента усиления и полосы пропускания, в умножителях частоты и т. п.

Процесс расчета конкретного функционального устройства на базе перемножнтеля содержит два этапа. На первом этапе выбираются единичные напряжения Uxi, Uyi, Uzi, сопротивления внешних резисторов Rx, Ry, Rb . -к (или ?н) и масштабный коэффициент К. На втором этапе рассчитываются элементы внешних цепей перемножителя. На этом же этапе в той или иной мере проводится выбор оптимальной процедуры его настройки, наиболее подходящей для решения данной задачи.

Большинство схем, рассматриваемых в данной главе, предназначено как для выполнения умножителя, так и других арифметических операций. Среди них делители, устройства для вычисления мощности, извлечения квадратного корня и др. Эти. схемы являются универсальными и могут применяться для решения ряда задач. Рассмотрим несколько характерных случаев применения.

9.1. Устройство деления .

Если перемножитель включить в цепь обратной связи инвертирующего ОУ, то получим устройство деления. Соответствующая схема показана на рис. 9.1. Здесь подводимое к инвертирующему входу напряжение определяется

вх. = Uz RMi + R2) + KUx Uy RARi + R2) = - Ux I A . При этом выходное напряжение ОУ можно записать

Ux ={-RiUzlKRuy){\-n + KUy а,-RARi + R)r}- (9.1) Если At/Yy4 7?2/(i?i-l-?2)>l, справедливо выражение

Ux-RiUz/KRUy. (9.2)

Обычно Л:=0,1. Таким образом, при 7?i/7?2=0,l имеем Ux ~~UzIUy, где Uz может быть любой полярности, а t/y -только положительной. Это объясняется тем, что при t/y<- +R2)IKAuR2 отрицательная обратная связь становится положительной и выходное напряжение схемы деления становится равным напряжению- насыщения ОУ. Такой режим может возникнуть даже в случае, когда напряжение Uy положительно, но мало.

при этом очень значительное ослабление сигнала, осуществляемое перемножителем, вызывает резкое увеличение коэффициента усиления усилителя с обратной связью, в результате чего даже небольшое изменение входного сигнала может ввести его в режим насыщения. Однако этот режим не эквивалентен режиму перехо-

Рис. 9Л. Аналоговый делитель

Рис. 9.2. Поверхность погр-ешностсй делителя

да в насыщение с самоудержанием, поскольку при достаточно большом положительном сигнале f/y восстанавливается нормальный режим работы устройства. С другой стороны, режим работы с самоудержанием может возникнуть в том случае, когда положительное напряжение на выходе усилителя превысит допустимую синфазную составляющую напряжения нй входе перемножителя. При этом переход база-коллектор входного транзистора смещается в проводящем направлении. Простой способ защиты от случайного возникновения режима самоподдерживающегося насыщения заключается во введении фиксации максимального потенциала на входе X при помощи стабилитрона.

Изложенное справедливо по отношению к схемам с неинверти-рующими перемножителями. В схеме с инвертирующими перемножителями напряжение Uy может быть только отрицательным. Суммарная погрешность зависит от двух факторов: от погрешности перемножителя и значения t/y. Обозначим первую индексом ft. Тогда выходные напряжения перемножителя и делителя соответственно будут равны KUxUy+h и

[/у = -

KR2 t/v

l-( I+KUyA

Ri +

KR. U.

(9.3)

Из этого выражения следует, что суммарная погрешность обратно пропорциональна KUy- Другими словами, она возрастает с уменьшением Uy- Зависимость суммарной погрешности от Ux и Uy может быть построена путем преобразования поверхности погрешностей перемножителя за, счет введения параметров h= =hlKUY- В результате этого получается поверхность погрешностей вида, показанного на рис. 9.2, где погрешность напряжения представляется расстоянием поверхности погрешностей от плоскости YZ-

Один из возможных способов настройки делителя заключается в том, что цепь обратной связи размыкается, перемножитель настраивается (устанавливается нуль) и снова замыкается цепь обратной связи. Предпочтительным является другой способ, не тре-..буюший разрыва цепи обратной связи. Он включает следующие операции.

1. Заземление входа Z, подача выходного напряжения Ux на вход осциллографа постоянного тока, подведение тестового низкочастотного напряжения t/y=0,6t/yi-f 0,4f/yi sinto к входу У перемножителя и пластинам горизонтальной развертки осциллографа. Манипулируя органами настройки напряжений смещения и Хеш и UzcM перемножителя, можно минимизировать отклонение напряжения Ux от нуля, добиваясь, чтобы участок линии, соответствующий напряжению t/y= (0,2-f-l)f/yi на плоскости Uz = 0, максимально близко подошел к плоскости нулевой погрешности.

2. Соединение входов. У и Z, приложение такого же тестового сигнала, как и в предыдущем случае. При помощи активной или пассивной цепи (два одинаковых резистора) формируется сигнал Uxi-Ux и затем подается на осциллограф. Изменяя коэффициент К и напряжение смещения t/усм, можно добиться минимального значения погрешности в области (Ux=Uxu Uy= {0,2-1) Uyi)-

3. В случае необходимости операции 1 и 2 повторяются.

В схеме, приведенной на рис. 9.1, обратная связь ОУ вводится через канал X. Если использовать канал У, то суммарная погрешность возрастет.

Рис. 9.3. Упрощенная схема делителя

Рис. 9.4. Перемвожитель-делитель