кх. пост, тока (точка 1 рис.)0.23)

Генератор импульсов

-о

Рис. 10.24. Повышающий импульсный стабилизатор,

Нестабил.вх. напр (точка 1 рис. 10.23)

Генератор импульсов

Рис. 10.25. Инвертирующий импульсный стабилизатор.

2. Источник питания, понижающий напряжение, (а) Рассчитайте компоненты понижающего источника питания, схема которого приведена на рис. 10.23. Генератор импульсов обеспечит напряжение управления на отрезке времени tc. Запишите рассчитанные значения tc и to. Замечание. Используйте при выборе значение индуктивности L, следующее, большее по сравнению с полученным в результате расчета. Положите t/вх = 16 В, t/ bix = 10 В при 0,5 А, Упульс = == 50 мВ и /геи = 10 кГц. (б) Настройте генератор импульсов так, чтобы его Выходной сигнал имел высокий уровень в течение времени tc и низкий в те-[чение to. (в) Измерьте выходное напряжение при включенном Нм = 20 Ом -

Нестабил. вх. напр.(точка 1 рис. 13.-23)

Рис. 10.26. Несинхронизированный понижающий стабилизатор.

- 120 Вт. Замечание. Измеренное значение будет меньше расчетного на величину /выхЛн, где Rk - сопротивление катушки индуктивности при протекании постоянного тока. Не работайте с источником питания без нагрузки.

(г) Слегка измените tc (±10%) и заметьте изменение выходного напряжения.

(д) Измерьте в точке / входное напряжение и среднее значение входного тока (используйте амперметр постоянного тока). Измерьте U еых И /вых- Рассчитайте к. п. д. источника питания, (е) Измерьте пульсацию напряжения на выходе.

3. Источник питания, повышающий напряжение, (а) Для схемы, показанной на рис. 10.24, рассчитайте tc, to и значения параметров ее компонентов. Положите /гея = 10 кГц, t/вх = 16 в, t/вых = 24 В ПрИ 0,3 А и [/ улье = 50 мВ

от пика до пика, (б) Присоедините к схеме генератор импульсов, настроенный так, что в течение времени tc он выдает напряжение высокого уровня, а в течение to выдает напряжение, равное нулю. Не работайте со схемой без нагрузки, (в) Измерьте выходное напряжение при Rt =80 Ом -15 Вт. (г) Повторите этапы (г) и (д) п. 2.

4. Источник питания с инвертированием напряжения, (а) Рассчитайте значения tc и to к параметры компонентов схемы, приведенной на рис. 10.25, Замечание. Должны быть вычислены только значения L и Свых. Значения Лг, Ri и R3, полученные в п. 2, могут быть использованы н здесь, если используются те же резисторы Ti и Ti. Установите t/вых = 5 В при 0,3 А, t/вх = = 16 В, / ген = 10 кГц, [/пульс = 50 мВ ОТ пика до пика, (б) Соберите схему.

Интегральные схемы стабилизаторов напряжения 341

Установите генератор импульсов так, чтобы в промежутке времени U напряжение на его выходе имело высокий уровень, а в промежутке равнялось нулю. Не работайте со схемой без нагрузки, (в) Измерьте t/вых прн Нг = = 16 Ом -2 Вт. (г) Повторите этапы от (г) до (е) п. 2. 5. Факультативный раздел: стабилизатор с несннхроннзированной ШИМ-гене-рацней. (а) Для схемы рнс. 10.26 рассчитайте значения параметров Ra, Rb, Re, Ri 3, Rs H Свых. Установите t/вых - 10 в прн 0,5 А и t/вх = 16 В. Положите t/пульс = 50 мВ. Посмотрите пример 10.15. где приводится рещение аналогичной задачи. Вспомните, что f вых = t/on [(/?4-f/?5) ?5], t/on = = t/вых[/?5/(/?4 + Л5)]; Rb - очень велико и примерно равно 500 кОм, RaIRb =

= Упульс/(Увх - t/КЭТ,). Установите Свых = /пТ/4 пульс.

Значение индуктивности L должно оставаться тем же, что н в п. 2. (б) При-соеднинте к схеме R = 20 Ом - 20 Вт н измерьте t/вых. (в) Измените R до 40 Ом н измерьте t/вых. (г) Рассчитайте коэффициент стабилизации по нагрузке, (д) Наблюдайте за изменением частоты на выходе рА741, когда Ru изменяется от 20 до 40 Ом.

ГЛАВА 11

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

По мере того как требования на специфические функции электроники возрастают настолько, что усилия и материальные затраты на разработку становятся оправданными, эти функции по возможности реализуются с помощью интегральных схем. Очень часто после завершения разработки стоимость таких специализированных интегральных схем падает, и во многих случаях качество функционирования улучшается.

В этой главе рассматривается несколько специализированных интегральных схем, которые удовлетворяют спрос на определенные функции электроники. Четыре интегральные схемы представляют собой операционный усилитель специального назначения- это компараторы, измерительные, изолирующие и токоразностные усилители. Первые два типа усилителей имеются в твердотельном и гибридном исполнениях, третий - то.чько в гибридном, а четвертый - только в твердотельном исполнении. Будет также рассмотрена исключительно полезная схем а - тай мер 555.

Назначение главы. После завершения изучения материалов этой главы и контрольных вопросов студент должен уметь: 1) описать функции интегральных схем, приведенных в этой главе; 2) указать наиболее важные применения этих интегральных схем; 3) рассчитать компоненты компаратора типа триггера Шмитта и компаратора типа детектора уровня; 4) рассчитать компоненты дл? инвертирующего и неинвертирующего включений токоразностного усилителя; 5) рассчитать навесные компоненты для таймера 555 в режиме автоколебательного мультивибратора и одновибратора; 6) рассчитать компоненты для мостового измерительного усилителя; 7) выполнить лабораторную работу к гл. П.

11.1. КОМПАРАТОРЫ

Компараторы представляют собой ОУ специального назначения, предназначенные для сравнения по уровню двух входных

напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого. Любой ОУ может быть использован в качестве компаратора, однако специально спроектированные компараторы удобнее для применения.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смешения. Многие компараторы могут работать от одного источника питания, что представляет известные преимущества для ряда применений.

Компараторы являются составной частью устройств автоматического контроля, АЦ-преобразования, стабилизации источников питания (в качестве усилителей ошибки), сдвига уровня логических сигналов. Перечень применений компараторов на этом не исчерпывается.

Интегральная схема компаратора типа LM311 описана в приложении В. Она пригодна для большинства применений, упомянутых в этом разделе. В каталожном листе имеется также упоминание о многих других применениях. Особенность устройства заключается в возможности работы от одного источника питания напряжением от 5 В (совместимость с ТТЛ) до 36 В или от двойного источника напряжением ±15 В. Оно имеет выход, снимаемый непосредственно с открытого коллектора вы-, ходного транзистора,; й может переключать ток вплоть до 50 мА при 40 В, что позволяет управлять реле. Выход может быть стабилизирован, did означает, что он может быть отключен, когда сравнение напряжения нежелательно, и включен, когда сравнение двух напряжений: должно быть выполнено. Основные параметры устройства (типичные значения): С/сдъ = 2 мВ, /едв== 10 нА, /см= 100 нА и Кр = 200 000. Схема LM311 устойчива при любых возможных рабочих условиях.

11.1.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ КОМПАРАТОРА

На рис. 11.1, G показана схема компаратора с одним источником питания. Один вход компаратора соединяется с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал. Так как Ubx подается на инвертирующий вход, то выходное напряжение будет мало, когда Ubx > Uon, и велико, когда Ubx < < Uon- Если желательно, чтобы С/вых было велико, когда Ubx > Uon, ТО слсдуст ТОЛЬКО помснять порядок присоедипения Входных напряжений к инвертирующему и неинвертирующему входам компаратора. Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние или уровень напряжения, как это показано на рис. 11.1,6. Если изменение выходного напря-

Выход

Рис. 11.1. Компаратор.

о - схема с одним источником питания; б - изменение во вре-MeiHH входного и выходного напряжений. - время, в течение которого выходной сигнал изменяется под влиянием нормального изменения u: A/j- время, в течение которого изменение выходного сигнала происходит под влиянием входного сигнала с шумом.

жения составляет 5 В и коэффициент усиления компаратора равен 10 000, то разность между Ubx и Uon, вызывающая изменение выходного напряжения, будет

f/вх - f/on = Д£/выкЖр = 5 В/10 ООО = 0.5 мВ,

Если опорное напряжение равно, например, 2,5 В, то это соответствует относительной погрешности компаратора

2 {t/вх - оп) (100)/f/on = 1 мВ/2,5 В = 0.04 %.

разность Ивх - Uon здесь удвоена, так как полное изменение выходного напряжения компаратора происходит, когда входной сигнал выше или ниже Uon на 0,5 мВ. Результат сравнения двух уровней напряжения при этом получается с высокой точностью. Однако у этой схемы имеется важный недостаток, который можно усмотреть из рис. 11.1,6: если t/вх меняется медленно и находится вблизи Уоп, то шумы, содержащиеся в Ubx, могут вызвать ложные изменения в выходном напряжении.

Введение гистерезиса в работу компаратора хотя и снижает точность, но делает его невосприимчивым к шумам. Гистерезис достигается включением более высокого опорного напряжения, когда Ubx изменястся от низкого к высокому уровню по сравнению со значением Uon, используемым, когда Ux изменяется от высокого к низкому уровню. Высокое значение опорного напряжения называется напряжением верхней точки опрокидывания (верхний порог срабатывания) t/вто, а низкое - напряжением нижней точки опрокидывания Uhto (нижний порог срабатывания).

11.1.2. ТРИГГЕР ШМИТТА И КОМПАРАТОР С ОКНОМ

Триггер Шмитта представляет собой компаратор с гистерезисом. На рис. 11.2, g показан триггер Шмитта с двумя источниками питания, а на рис. 11.2,6 - изменение во времени входного и выходного сигналов. Когда Ubx <. Uto, то Ubux велико, и напряжение верхней точки опрокидывания получается с помощью делителя на сопротивлениях и Я2. Напряжение верхней точки опрокидывания при этом равно

t/BTO-[/?2/(/?l + /?2)](+t/ ac), (11.1)

где --(7нас = (+t/вых)макс компаратора обычно на 1 В меньше, чем -\-U. Когда Ubx > t/вто, то выходное напряжение становится отрицательным и стремится к -t/нас, т. е. к максимальному отрицательному выходному напряжению компаратора. Отрицательное выходное напряжение вызывает падение напряжения на неинвертируемом входе до напряжения нижней точки опрокидывания

Umo = [ЯШ + R2)] (-t/ ac). (1.12)

Как показано на рис. 11.2,6, компаратор не изменит своего со-стояния, пока t/вх < Umo- Обратите внимание на то, что благодаря гистерезису небольшие. шумы во входном сигнале не

вызовут изменения состояния компаратора. В случае когда входной сигнал триггера Шмитта имеет синусоидальную форму, рассматриваемая схема преобразовывает его в прямоугольную.

Пример 11.1. Рассчитайте компоненты для схемы триггера Шмитта, приведенной на рнс. 11.2. Пусть гистерезис составляет 2 В, +U = 15 В, -U = -15 В

-f Онас = 14 В и -f/ ac = -14 В.

Решение. Так как гистерезис задан равным 2 В, то для этой схемы] C/gTO - = 1{/нто1 И' следовательно, {/3-0=1 В, а Uijjq = -1 В. Пусть /j, = = /=0,1 мА. Током смещения можно пренебречь, так как/, >В результате получаем /?[ = ( U - С^втоУа = (14 В - 1 В)/0,1 мА = 130 кОм, P2 = Uht;oJIr=1 в/0,1 мА=10 кОм.

вых

а

Гистерезис

нас

i/вых О В

-ииге h

Рис. 11.2. Компаратор с гистерезисом (триггер Шмитта). а - триггер Шмитта с двумя источниками питания; б - изменения входного н выходного наприжений во времени.

Так как = 1 мА, то R + Rs f вто дел = 7 В/1 мА = 7 кОм, R

= (fon - Увто) дел = 8 В/1 мА = 8 кОм. Для того чтобы найтн значеине Rl, обратимся к уравнению (11.4):

tHTO = ton[Ml + 2)] + f/K9 нас'

Разрешая его относительно R2, получаем

Р (t/нто-t/кэ пас)/?1 (4В-0.1В)8кОм

= г/о„-г/нтО + г/кЭ ас = 15B 4B-f0.1B -

Таким образом,

/?з = 7 кОм - Ri = 7 кОм - 2,8 кОм = 4,2 кОм

На рис. 11.3 показан ОУ, использованный в качестве триггера Шмитта, причем напряжения Ubto и Umo имеют одну и ту же полярность. Изменение выходного напряжения отпирает и запирает транзистор Ti, за счет чего устанавливаются напряжения верхней и нижней точек опрокидывания. Стабилитрон Cti обеспечивает выходное напряжение одного знака. Если Uct, = 5 в, то выходное напряжение совместимо с напряжением для элементов ТТЛ. Работа схемы протекает следующим образом: если lBx имеет положительное значение, меньшее Umo, транзистор Tl заперт, так как и^ых при этом отрицательно; /?з при этом не шунтируется транзистором, и

Ш Ubto = Uon [№ + Rs)/{Ri + R2 + Rs)]. (11.3)

Диод ,n,i удерживает напряжение между эмиттером и базой Ti равным -0,7 В. Выходное напряжение схемы будет -0,7 В, так как стабилитрон смещен в прямом направлении. Когда Ux > Umo, выходное напряжение усилителя меняется до -l-t/нас, а выходное напряжение - до напряжения стабилизации ста-билитрона Ucti- Переключающийся транзистор Ti закорачивает ?з и тем самым снижает напряжение на инвертирующем входе }У до значения Umo, которое составляет

и то = Uon [R2l(Ri + R2)] + t/кэ ас г.. (11.4)

Выходное напряжение не будет изменяться, пока f/вх > Umo-Рассматриваемая схема может быть использована для построения компаратора и с одним, и с двумя источниками питания. В первом случае диод Д1 не нужен.

Пример 11.2. Рассчитайте триггер Шмитта по схеме, приведенной на рнс. 11.3, применив в качестве компаратора ОУ типа цА741. Пусть ±f = ±15 В, У ВТО = 7 В, f НТО = 4 В, Увых совместимо с напряжением ТТЛ и Ucn = = 4-15 В. Компаратор должен отдавать 3 мА в нагрузку. Решение. Коэффициент уснлення цА741 мог бы быть ограничен до любого желаемого значения, однако для обеспечения минимальной неопределенности напряжения в точке опрокидывания ОУ будет использован без обратной связи. Пусть для делителя Ri, R и R3 ток /дел = 1 м.А,. Параметры Тй КЭ проб = 30 В, f/K3 ac = 0,l В прн /к=1 мА, f/b3 = 0,7 В при /к=1 мА, Л21эи и = 50 при /к=1 мА. Выбираем fj., = 4,7 В при /сг, =2 мА.

Unto

Рис. 11.3. Триггер Шмитта с более точно устанавливаемыми напряжениями

точек опрокидывания и однополярным выходом, й-схема; б-изменение напряжений во времени. fBxO = on [(j+ Яз)/(1 +а з)! f НТО=£оп [ 2/( i + 2)1 +КЭ нас.