Точнее, значения 1 в ТТЛ, равного 2,4-4,5 В. Значение О ТТЛ от О до 0,4 В. - Прим. ред.

> То есть с униполярной геометрией. Это наиболее простой тип диффузионного транзистора, в котором сток и исток не отличаются по свойствам друг от друга и их взаимный обмен в схеме не играет роли. Прим. ред.

мышленных цифровых системах управления, цифровых системах связи. Схема выборки - хранения сохраняет свое выходное аналоговое напряжение постоянным, пока оно не будет преобразовано в цифровой кГод с по.мощью аналого-цифрового преобра-зовате.пя (аналого-цифровые преобразователи рассматриваются в гл. 11).

Имеется много вариантов схем выборки и хранения, обеспечивающих различные быстродействие и точность. Схема, приведенная на рис. 9.5, а, отличается умеренной точностью, но хорошим быстродействием. Усилитель У, представляет собой буфер для входного сигнала и, когда ключ, выполенный на полевом транзисторе с р - п-переходом (Ti), включен, отдает зарядный ток в конденсатор. Усилитель Уг с входным каскадом на полевых транзисторах служит в качестве выходного буфера, : уменьшающего разрядный ток конденсатора. Наличие этого усилителя существенно в тех случаях, когда конденсатор должен удерживать заряд в течение промежутка времени произвольной длины. R\ отделяет конденсатор от входа усилителя Уг при отключении питания при заряженном конденсаторе. Транзисторы Гз и Tg работают в ключевом режиме. Когда они выключены, напряжение -U прикладывается к затвору поле-; вого транзистора с р - п-переходом, а когда включены, то за-. твор через сопротивление присоединяется к напряжению ? стока (значение R2 находится между 1 и 10 МОм). При включенных Гг и Тз коллекторное напряжение 7з близко к и диод Д оказывается запертым. Транзистор Тз позволяет управ-f лять схемой от выходного напряжения элементов ТТЛ.

Когда управляющее напряжение достигает 5 В'), Гг и Tg включаются и затвор полевого транзистора с р - п-переходом присоединяется к своему стоку через R2. При этом полевой транзистор с р - п-переходом включается и усилитель У] заряжает конденсатор С до {Увх через Г]. Конденсатор С будет заряжаться прк положительном Ux быстрее, чем при отрицательном, так \кйк в последнем случае конденсатор С может заряжаться с максимальным током, равным /си на с (ток стока при затворе, соединенном с истоком) транзистора Т^. Для работы с двух-полярным сигналом полевой транзистор с р - п-переходом Т\ должен быть выбран такого типа, который допускает перемену истока и стока 2). Напряжение управления должно прикладываться в течение достаточно длительного времени для того.

чтобы зарядить конденсатор до полного значения входного напряжения. Время выборки должно быть по крайней мере равно

СИ вкл^

Когда напряжение управления равняется нулю, и Тз выключены, напряжение затвора Ti стремится к -U и он запирается. Начинается время хранения. Выходное напряжение будет оставаться примерно на уровне последнего значения входного напряжения до следующего периода выборки. Конденсатор при этом будет медленно терять напряжение, разряжаясь через полевой транзистор и свое собственное сопротивление утечки, а также под влиянием тока смещения усилителя Уг. Потеря напряжения на конденсаторе к концу периода хранения будет

с. хран с'хран/>

где /с - сумма тока утечки полевого транзистора и тока смещения усилителя Уг- При больших значениях емкости следует выбирать конденсатор с высококачественным тефлоновым, полиэтиленовым или поликарбонатным диэлектриком; для малых значений емкости подходят стеклянные или серебряно-слюдяные конденсаторы.

Усилители Pi и Уг могут быть включены единым повторителем напряжения путем охвата их общей цепью обратной связи в период выборки. Это снижает ошибки от сдвига. Если y.i и Уг выполнены в виде независимых повторителей напряжения, то вся схема может работать на более высоких частотах. Схемы выборки и хранения изготовляются в виде как гибридных, так и полупроводниковых интегральных схем. Полупроводниковые ИС выборки и хранения должны иметь внешний конденсатор.

Пример 9.1. Рассчитайте компоненты схемы рис. 9.5, ±t/= ±15 В, Ух и Уг типа TI TL081. Транзисторы Гг и Тз имеют следующие данные-. кэО^О В, f2l э мин = 40, [/р^э = 0,5 В, [/gg = 0,7 В. Данные полевого транзистора; ЗИмакс = 30 В, /си нас = 20 мА, /ди нас = 50 пА, /с выкл = 40 пА. Выходной ток TL081 в лучшем случае составит 20 мА; г^уу равно 100 Ом. Максимальное время хранения должно быть 10 мс с погрешностью 0,1 %. С = /с'храи/Д^хран. -с = см. У2 + С выкл П = 200 пА -f 40 пА, Д[/р, = 0. % fBx. макс = 0.1 % (10 В) = 0,01 В, С =(240 пА. 10 мс)/0,01 В = 240 пФ. Так как могут иметь место и другие, неучтенные пути утечки, утроим полученную величину емкости и используем серберяно-слюдяной конденсатор. Конденсатор такого типа нетрудно приобрести. Положим С = 750 пФ. Время выборки будет равно наибольшей величине:

выбор = exIBbix. У1. выбор [вых. У1 + си вкл. Tl].

выбор = 2(;Vy,

Так как Ueun может изменяться от --Свк до -t/вх, то (вывор ! > 750 пФ(20 В)/20 мА = 7.5 мкс. или <вь,бор > 10(750 пФ) 100 Ом =.

= 0,75 мкс, или /выбор 20 В/мкс) = 1,54 мкс. Поэтому <вые>ор должно быть больше 7,5 мкс.

Остальная часть вычислений касается непосредственно расчетов ключевого транзистора. Положим Rz = 1 МОм, /ктг = /ктз = 1 мА,

3 = [2 (-f С/) - C/j3 т2] кт 2 = 29,5 В/1 мА = 29,5 кОм,

Ri = {+U- С/бэ нас т2 - кэ нас Тз)/(кт 2/Л21 э мин тг) = 560 кОм, Rb = i+U- С/кэ нас тз)/кт 3 = 14,5 В/1 мА = 14,5 кОм, Кб = (упр - бэ нас тз)/(кт з/f2l Э мин ТЗ = ( 0,7В)/(1 мА/40) = 172 кОм.

9.6. ТОЧНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Точные выпрямители, называемые также схемами получения абсолютной величины, обеспечивают выходной сигнал, равный абсолютной величине входного, но без потери напряжения, возникающей при смещении выпрямительного диода в прямом направлении. Поэтому точный выпрямитель, такой, как показан на рис. 9.6, а, может быть использован для выпрямления сигналов переменного тока в милливольтовом диапазоне. Влияние падения напряжения на диодах в проводящем состоянии снижается в А раз, так как они находятся в цепи обратной связи усилителя Ух.

Точные выпрямители используются в вольтметрах переменного тока, при измерении мощности и в других измерительных схемах. Они также применяются при демодуляции амплитудно-модулированных колебаний со сравнительно низкой частотой несущей.

Схема работает следующим образом. Положите Ri = R2 = = Яз = Ri = Rb- Когда на входе возрастает положительное на-.пряжение Ubk, на выходе усилителя Уу возрастает отрицательное напряжение. Диод получает смещение в прямом направлении, а Д2 - в обратном. Напряжение в точке а схемы тогда становится равным -Ubx- Так как неинвертирующий вход Уг присоединен через резистор к инвертирующему входу Уу (потенциально заземленной точке), то Уг оказывается в режиме инвертирующего усилителя с /С,у2 - - 1 (напоминаем, что Rn - = /?5). Напряжение f/вых при этом равно iex.

Если Ubx становится отрицательным и возрастает по абсолютной величине, то напряжение на выходе У, будет положительным и вызывает смещение Дх в обратном направлении, а Д2-в прямом. Усилитель Уг теперь становится неинвертирующим усилителем, так как его инвертирующий вход присоединяется через R2 п Ri к потенциально заземленному инвертирующему входу усилителя Уу. Коэффициент усиления Уг теперь определяется выражением

Щ^. /(у2=1+1/?5/(/?2+/?4)].

Рис. 9.6. Точный выпрямитель (схема получения абсолютного значения входного сигнала).

а -схема; б - зависимость выx вх s - форма напряжений.

Так как все резисторы имеют одинаковое сопротив-иение, то Ку2 = 1,5. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя Ух при этом больше не равняется единице, так как не весь ток, протекающий через Ri, теперь протекает через 7?з'. Напряжение в точке в равняется напряжению в точке б, так как Us усилителя У2 практически равно нулю. При R2 = R3=Rir Ri + Ri = 2R3 одна треть входного тока протекает через R2 и Ri и две трети - через Rs. Напряжение в точке б поэтому составляет /з^/вх. Так как точки в и б имеют одинаковый потенциал, то можно убедиться, что при всех одинаковых резисторах

Kwi = [{R2 + Ri) II RsVRi = 2/3, или 0.66.

> Здесь для ясности следовало бы указать на то, что при U x отрицательном Ух можно рассматривать либо как сумматор с двумя входами (f вх, приложенном к Ri, и U6 = Ue, приложенном к Rz-{-Ri, и резистором Rs в обратной связи), либо как инвертирующий усилитель с входным напряжением {Увх, приложепиым к Ri, и резисторами R3 и Ri + Ri в цепи обратной связи. - Прим, перев.

Общий коэффициент усиления схемы при U отрицательном тогда будет

= КухКу-г = (2/3) (3/2) = I.

Таким образом, при одинаковых резисторах обилий коэффициент усиления схемы равняется единице. Если Ri=R2== Ri = = R и /?з = /?5 = 2/?, то коэффициент усиления схемы равен двум.

9.7. БУСТЕРЫ ВЫХОДНОГО ТОКА

В случаях когда требуется больший выходной ток, чем тот, который может отдать операционный усилитель, используется выходной токовый бустер. Если последний включается в контур обратной связи, то при этом характеристики усилителя сущест-1венно не меняются.

Простейший способ увеличить ток, если требуется ток одной полярности, состоит в том, что эмиттерный повторитель помещается в контур обратной связи так, как это показано на рис. 9.7,0:. Ошибка эмиттерного повторителя из-за падения напряжения (Убэ снижается в коэффициент усиления ,раз усилителя без обратной связи. Так что сдвиг выходного напряжения составляет Овз/Л. Если требуемый ток такой, что ОУ не в состоянии отдать достаточный ток для управления Ti, то Ti на рис. 9.7,0: может быть заменен на пару Дарлингтона. Однако при этом сдвиг выходного напряжения удваивается. Для изменения полярности выходного тока должен быть использован р - п - р-транзистор. i

Двухполярный токовый бустер показан на рис. 9.7,6. Он представляет собой дополнительный (двухтактный) выходной каскад с ограничением тока. Резисторы Rorp выбираются такой величины!, чтобы падение на них Ur было бы достаточным для включения Тз и Г4, когда ток нагрузки достигает максимально допустимогф значения. Row определяется из выражения

макс- (9.2)

Источник неизменного тока на полевом транзисторе строится так, что /снас>/бт2. Для увеличения выходного тока Ti и Т2 могут быть заменены парами Дарлингтона, но при этом требуется четыре диода вместо двух для предотвращения переходных искажений. Как и в случае однополярных бустеров, сдвиг выходного йапряжения из-за (Убэ транзисторов снижается в Коэффициент усиления раз ОУ без обратной связи. Таким образом, он составляет Ub3Ti/A. Часто усилители которые должны работать на емкостную нагрузку, требуют использования бустера. Примером может служить оконечный усилитель, работающий на достаточно длинную линию передачи.

Я

I t

О-CZZb

fforp

orp

б

Рис. 9.7. токовые бустеры, о - однополярный токовый бустер; 6 - двухполярный токовый бустер.

Рис. 9.8. Источники тока.

do - плавающий источник тока; б - одно полярные источники тока.

1 =( + -)Л н=(

9.8. ИСТОЧНИКИ НЕИЗМЕННОГО ТОКА

Операционные усилители позволяют строить источники неизменного тока. На рис. 9.8, а показан плавающий (свободный) источник неизменного тока. Так как /ri = /o. с и (Уд = 0, то ток через нагрузку будет равен V\/Ri. Если требуемый ток пре--восходит возможности усилители, должна быть использована схема токового бустера. Заметьте, что этот источник неизменного тока управляется с помощью напряжения, так что он может быть по желанию дистанционно запрограммирован или зафиксирован. vi С могут и не включаться, если в нагрузке Нет индуктивности. Однополярный источник неизменного тока с использованием схемы типа эмиттерного повторителя ) пока-

По отношению к нагрузке -это скорее каскад с общей базой.- Рим, ред.

9.9. ИСТОЧНИКИ НАПРЯЖЕНИЯ

Операционные усилители могут быть использованы в качестве источников опорного напряжения с низким выходным полным сопротивлением. При этом стабилизируется напряжение на нагрузке за счет обратной связи усилителя. Коэффициент стабилизации составит

Коэффициент стабилизации = (/?выхМР^?н) (100), %, (9.3)

где Явых - выходное сопротивление усилителя без обратной связи; р - коэффициент обратной связи (1 для повторителя); Ra - наименьшее сопротивление нагрузки. Это выражение построено в предположении, что входное напряжение усилителя стабильно. Источники опорного напряжения, показанные на рис. 9.9, представляют собой, по существу, усилители со стабилизированным входным напряжением. Так как ток стабилитрона не зависит от тока нагрузки, схема в целом работает лучше, чем одиночный стабилитрон. Естественно, могут быть использованы не только стабилитроны, но и другие источники напряжения.

Для увеличения нагрузочной способности источников опорного напряжения, показанных на рис. 9.9, могут быть использованы токовые бустеры. Напряжение стабилитрона будет более

зан на рис. 9.8,6. Эта схема стабилизирует ток за счет того, что падение напряжения на резисторе R принудительно делается равным разности между напряжением питания и входным напряжением. Благодаря обратной связи дифференциальное напряжение t/д будет приблизительно равно нулю, так что напряжение на инвертирующем входе, а следовательно, и на эмиттере транзистора будет равно входному. Так как/ = ( /пит|-t/i) ?, то источник неизменного тока легко программируем и стабилен настолько, насколько стабильно Ui. Если Ui задается от тем-пературно компенсированного стабилизатора, выполненного на стабилитроне, то оно может быть очень стабильным. Большим преимуществом схемы источника неизменного тока, приведенной на рис. 9.8,6, является то, что транзистор на выходе одновременно служит токовым бустером. Поэто.му ток нагрузки может быть больше, чем выходной ток усилителя. Для дальнейшего увеличения тока нагрузки транзисторы заменяются парами Дарлингтона. Эти источники тока могут быть использованы и при заземленной нагрузке, если Ui настолько больше потенциала земли, что обеспечивается диапазон напряжений, необходимый для нагрузки.

и

Ст j .

-о

и

Г

вых

-о

Рис. 9.9. Источники опорного напряжения со стабилитроном.

fl-инвертирующий (с переменой знака), 1вых~~ С^о. cll) Ст; б-неинвертирующий, tbixKo. с +Ст- в-регулируемый

стабильным, если R ct заменяется источником неизменног тока, ток которого устанавливается равным оптимальному току смещения стабилитрона.

9.10. ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ СТУПЕНЧАТОЙ ФОРМЫ

Простой генератор напряжения ступенчатой формы может быть построен, как показано на рис. 9.10. Этот генератор приводится в действие последовательностью импульсов тока. Цепь, состоящая из транзисторов Ti и Т2, реализует один из способов получения таких импульсов. Транзисторы Ti и Т2 соответственно образуют источник неизменного тока и транзистор возврата. Схема состоит из источника тока (УО, пикового детектора и буферного усилителя с полевыми транзисторами на входе (Уг) и усилителя возврата в исходное состояние (Уз). Источник тока быстро заряжает конденсатор С. Когда Ту включен, источник тока быстро заряжает конденсатор С линейно по времени до очередной ступени напряжения. После отключения транзистора Ту конденсатор удерживает напряжение ступени до прихода нового импульса тока. Когда достигается последняя ступень напряжения, выход усилителя Уз становится положительным, транзистор Гз включается, удерживая выходное напряжение усилителя Уз положительным до тех пор, пока конденсатор не разрядится до нуля. После этого выходное напряжение усилителя Уз становится отрицательным, отключая тем самым транзисторы Т2 и Ts. Напряжение на неинвертирующем входе возрастает опять до напряжения возврата, и процесс повторяется. Диод предназначен для того, чтобы при отрицательном выходном напряжении усилителя Уз не возник пробой эмиттерного перехода Т3. Форма напряжений показана на рис. 9.10,6. Усилитель Уу должен быть операционным усилителем с большой скоростью нарастания выходного напряжения, такой, например, как TI TL081 с диффузионными полевыми транзисторами на входе.

Пример 9.2. Построить генератор напряжения ступенчатой формы по схеме рис. 9.10, а. В качестве усилителей У, и Уз применить сдвоенные ОУ с по.пе-Еыми транзистрами на входе типа TI TL082, а в качестве Уг-ОУ с полевыми транзисторами на входе типа TI TL081. Данные усилителей TI TL081 и TI TL082 приведены в приложении Б. Транзистор Ti - это кремниевый р - - п - р-транзистор с hy э мни~200, - полевой транзистор с отс ~ С нас ~ 20 мА и Гд - ключевой я - р - я-транзистор с {Укэнас=0,2 В. БЭнас -0,7 Б, э„ = 30. Генератор напряжения ступенчатой формы лолжсн иметь выход, состоящий из 10 ступеней, каждая равна 1 В и длительностью 10 мс со временем нарастания ступени, равным 20 мкс. Токи утечки транзисторов Ti и полевого Тг соответственно 0,1 нА и 50 пА. Ток смешения усилителя У2 составляет 200 пА.

Решение: Емкость конденсатора С находится, исходя из заданного максимально допустимого изменения напряжения ступеньки при заданных длительности ступени и значении суммарного тока утечки, из выражения, С = Л/Ь'. где / - общий ток утечки, t - длительность ступени, U - максимально допустимое изменение напряжения ступени. Если при длительности ступени