саторе Сг и коэффициентом усиления усилителя по напряжению. Так как Ci и Сг включены последовательно, то

Uc, = Qo/Сг = C0U0/C2 = [CiC2/(C, -f Сг)] t/o/Сг = Cif/o/(Ci -f Сг),

где Qo - общий заряд; Со - эквивалентная емкость последовательного соединения конденсаторов с емкостями Ci и Сг; f/o -

Рис. 11.14. Компаратор, выполненный с применением коммутируемого конденсатора.

напряжение, приложенное к цепочке последовательно соединенных С] и Сг.

Отсюда следует, что

At/ = С, Д[/о/(С,-f Сг) = С, (t/ex - t/on)/(C. + Сг).

и поэтому

Af/Bb,x = -С, (t/ - f/ )/(C, -f Q).

Ключи Кл1 и Клг являются естественно аналоговыми МОП-транзисторными ключами.

Установка коэффициента усиления с помощью коглмутируемых конденсаторов. Конденсаторы могут быть использованы для установки коэффициента усиления операционного усилителя, как это показано на рис. 11.15, а. Коль скоро f/вх есть напряжение переменного тока, то

K = Z,. JZ, = (1/2л/С,. е)/(1/2я/С,) = С/Со. е.

Коэффициент усиления сохраняется неизменным при изме- ении частоты'). Однако легче построить МОП-конденсаторы ; одной заземленной пластиной. Схема на рис. 11.15, а не спо-рюбна усиливать напряжение постоянного тока.

Как показано на рис. 11.15,6, заземленный конденсатор мо-кет действовать как резистор, если частота его переключения

В определенном диапазоне частот, при котором коэффициент усиления усилителя без обратной связи существенно не меняется и не проявляются раразитиые емкости на его входе и выходе. - Прим. перев.

Со.с

о-Cf о-

КЛо

Cat

в

Рис. 11.15. Установка коэффициента усиления с помощью конденсаторов, о - установка коэффициента усиления иекоммутируемыми конденсаторами; б - коммутируемый конденсатор в качестве резистора; fKfl~ частота переключения ключа; в - коммутируемые коидеисаторы, используемые для установки коэффициента уси*

леиия.

11.2. ТОКОРАЗНОСТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Токоразностный усилитель, называемый также усилителем Нортона, в отличие от обычных операционных усилителей усиливает разность входных токов, а не разность входных напряжений. Главное преимущество токоразностных усилителей заключается в том, что они работают с одним источником питания. Обычные операционные усилители могут также работать с одним источником питания, но иногда теряют работоспособность. Этого не случается с токоразностными усилителями, причем точность их работы такая же, как и обычных интегральных операционных усилителей. На рис. 11.16 приведены два наиболее распространенных условных обозначения токоразностных усилителей. Наиболее популярное условное обозначение содержит источник тока между инвертирующим и неинвертирующим входами. Другой символ не имеет отличительных черт, однако структура схемы обычно помогает идентифицировать в ней токоразностный усилитель.

КЛЮЧОМ /кл выше, чем наивысшая частота, содержащаяся во входном сигнале. Если ключ разомкнут столько же времени, сколько замкнут, то можно найти эффективное сопротивление конденсатора следующим образом:

но Uc = Q/C, а /с. ср = CUc/2t, что вытекает из того, что ток течет только в течение времени замыкания ключа.

Таким образом, /?эфф= С/с с.ср = (Р/С)/(СС/с/20 ==(Q/C)X X{2t/CUc) = 2t/C, но /кл= l/2t, и поэтому /?эфф = 1 клС.

Два коммутируемых конденсатора, как показано на рис. 11.15, в, могут быть использованы для установки коэффициента усиления операционного усилителя. Коэффициент усиления при этом будет

/Со.с = -{Ro.c/R) = -(1 клСо.с)/(1ЯклС1) = -(Cl/Co.c).

Выходное напряжение усилителя будет иметь форму прямоугольной волны и должно быть пропущено через фильтр. Среднее значение составит

fBbix. ср - (Cl/o. с) fBx-

Обратите внимание на то, что входное напряжение может быть напряжением постоянного тока. Напоминаем еще раз, что частота /кл должна быть намного выше, чем наивысшая частота входного сигнала. Коммутируемые конденсаторы могут также заменить резисторы в активных фильтрах.

Рис. 11.16. Условные обозначения токоразностного усилителя. а - наиболее употребительный символ; б - другой употребителы1ый сим-

rola и LM3900 фирмы National Semiconductor. Хотя они и очень близки друг к другу, но при этом полностью не взаимозаменяемы. Рассмотрим усилители типа МС3401.

П.2.1. МС3401

Счетверенный токоразностный интегральный операционный усилитель МС3401 требует источника питания от 5 до 18 В. Он имеет внутреннюю частотную коррекцию, и для него типично А = 2000. Типичное значение тока смещения составляет 50 нА, входное сопротивление 1 МОм, и выходной ток изменяется линейно в пределах 1 мА.

Схемы токоразностных усилителей существенно отличаются от таковых для обычных ОУ (рис. 11.17, а). Транзисторы и Т\о образуют источники неизменного тока, которые действуют как активные нагрузки соответственно для усилителя Ту с общим эмиттером и эмиттерного повторителя Т^. Транзистор Ts обеспечивает высокий коэффициент усиления для Ту, а 110 создает смещение для Гг, требуемое для его работы в линейном режиме класса А. Транзистор Т4, действует как эмиттерный повторитель для Ту и обеспечивает развязку Ту от Т2. Транзистор Ti обеспечивает усиление по току для управления Т2; таким образом, 71 может работать при Низком коллекторном токе и поэтому будет требовать меньше входного тока. К базе транзистора Ту подключается инвертирующий вход усилителя. Конденсатор обеспечивает частотную коррекцию. Транзистор Ts и диод Ду образуют токовое зеркало для неинвертирующего входа. Транзистор Ts и диод Ду подобраны так, что ток / транзистора Ts равен току неинвертирующего входа. Ток неинвертирующего входа называется зеркальным током /3.

Схема, приведенная на рис. 11.17,6, обеспечивает опорные напряжения для источников неизменного тока Т5 и Туо. Падения напряжения на диодах Дг, Дз и д4 образуют опорные напря-

Наиболее популярны два типа токоразностных усилителей в интегральном исполнении: счетверенные МС3401 фирмы Moto-

3 пФ =F

Г

Инвертирующий о-

Неинвертирующий о-

3 Unn о-

-о аых

10 кОм

3,5 кОм

560 Ом

}-°оп,

Рис. 11.17. Токоразностный операционный усилитель фирмы Motorola МС3401. (С разрешения фирмы Motorola Semiconductor.) с - схема усилителя; б ~ схема получения напряжений смещения.

жения. Напряжение на сопротивлении Ri будет

£/л = г/дз + {/л-/Бэг,.

Ток р-п-р-источников тока устанавливается равным LIbs/Ri с помощью Т'б, ток коллектора которого равен току коллектора Ts. Транзистор Ту обеспечивает при фиксированном потенциале дополнительный ток базы р-п-/7-источника тока с делью уменьщения влияния нагрузки. Ток через диод д5 равен

/Д, = им == (f/д, + f/Дз + f/д, - f/БЭГ. - UpJ/R2.

Напряжение базы Тю равно напряжению на Д5. Так как характеристики Дв аналогичны таковым для Тю, то 1тк = 1д^-

Если, как это обычно бывает, /3 неизменен, в то время как Ubx на инвертирующем входе возрастает, то ток базы Ту увеличивается, вызывая уменьшение f/кл и напряжения эмиттера Гг. Если Ubx понижается, то ток базы Ti понижается, а f/вых Бозрастает. Так осуществлрется инвертирование входного сигнала.

Если ток инвертирующего входа удерживается постоянным, а ток неивертирующего входа понижается, то в результате понижается, вызывая увеличение /вг, = /вх - Ыт- Так как /вг, увеличивается, то выходное напряжение уменьшается.

П.2.2. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТОКОРАЗНОСТНОГО УСИЛИТЕЛЯ

На рис. 11.18, а показан инвертирующий токоразностный усилитель. Обратите внимание на то, что он собран как усилитель со связью по переменному току. Связь по постоянному току может быть применена в тех случаях, когда выходное и входное напряжения последовательно соединенных каскадов равны друг другу. Смещение усилителя устанавливается за счет выбора сопротивлений Ra (устанавливает зеркальный ток) и Ro.c- Усиление устанавливается выбором сопротивления Ri. Так как зеркальный ток обычно неизменен, то к R3 прикладывается напряжение f/кк- Сопротивления выбираются следующим образом:

/?3 = (f/KK-f/) 3, (11.5)

где /з - ток неинвертирующего входа (зеркальный ток); f/д, - падение напряжения на диоде неинвертирующего входа в проводящем состоянии (0,7 В-типичное значение). Тогда

/?o.c = (f/BUX.ycT -f/B3rO 3. (11.6)

7 вых

Г*- г\

Рис. 11.18. Различные схемы включения токоразностного усилителя, а-инвертирующий усилитель, с~~о. c/v б-неинвертирующий усилитель. Ко. с~о. Л^1~е)- ® £=26 mB/ZJ; в-компаратор напряжений, совместимый с ТТЛ.

Здесь f/вых. уст - установившееся значение выходного напряжения; С/бэ г,- падение напряжения на переходе база - эмиттер-инвертирующего входного п-р- -транзистора (0,7 В - типичное значение).

Так как Ir = U, то все изменения в токе называются током, протекающим через R\. Если снижается, будет увеличиваться на такую же величину.

A/ij =-A/г^, ШМ=-Швик/Яо.с, AUbuk/AUbx =-Ro-c/Ru

но /Со.с = Д^/вых/Д^/вх. поэтому

Ko.c==-Ro.JRi. (11.7)

Пример И.4. Рассчитайте величины Ri, Ro.c, Ra, Ci и Сг для инвертора, собранного по рис. 11.18, а. Используйте усилитель типа МС3401. Ukk = 15 В, Я == 10 кОм. / = 100 Гц и Ко. с = 20.

Решение: Из каталожного описания, приведенного в приложении В, величина -гока h может быть выбрана произвольно в пределах от 5 до 100 мкА. Поэтому примем h = 50 мкА.

3 = е^КК - Д,)Лз = (IS В - 0,7 В)/50 мкА == 286 кОм.

о. с = (fBHx. уст - Бэг,) з = (7.5 в - 0.7 В)/50 мкА = 136 кОм.

Заметим, что Ро, с - 0,573,

Ri=Ro. с/К о. с = 286 кОм/20 = 6,8 кОм.

С, = l/2nfnRi = 1/2я (100 Гц) 6,8 кОм = 0,234 мкФ,

Сг = l/2jtf = 1/2я (100 Гц) 10 кОм = 0,16 мкФ.

На рис. 11.18,6 показана схема включения неинвертирующего усилителя. Зеркальный ток должен быть предусмотрен для смещения. Входной ток при этом прибавляется к зеркальному току или вычитается из него. Так как любое изменение зеркального тока вызывает равное изменение тока транзистора Тз (см. рис. 11.17,а), то изменение тока, протекающего через Яо.с, равно изменению тока через Ri:

Ч. с = Д^/вых ?о. с = А{/вых/(/?1 -f Ге),

где Ге 26 мВ з - дифференциальное сопротивление диода неинвертирующего входа;

AU,BjAUB, = Ro.Mi + re).

откуда

Ko.c=Ro.J{Rl + re). (11.8)

Последнее уравнение не точно, так как напряжение температурного потенциала только приближенно можно считать равным 26 мВ. Сопротивления Rs и Ro. с находятся из уравнений (11.5) и (11.6).

пример 11.5. Рассчитайте компоненты схемы неинвертирующего усилителя, представленного на рис. 11.18,6. Используйте ОУ типа МС3401, для которого /з = 10 мкА, t/RK. = 5 В, Ко. с = 10, f = 100 Гц и i? = 20 кОм.

11.3. ТАЙМЕРЫ ТИПА 555

Таймер 555 представляет собой сочетание очень полезного генератора средней точности и схемы, задающей время. Он изготавливается несколькими фирмами, выпускающими интегральные схемы. Таймер может работать в двух режимах - мультивибратора и одновибратора. Схема может давать колебания с частотой до 100 кГц, а в новом исполнении с использованием КМОП-структур - до 250 кГц. Рассмотрим таймер типа LM555 фирмы National Semiconductor. Схема может работать от источника питания с напряжением от 4,5 до 18 В. Нижний уровень выходного напряжения f/вых находится в пределах от 0,1 В при

Решение:

Р^ == (C/j - С/д,) з = (5 В - 0,7 В)/10 мкА = 430 кОм, К. с = (tBbix. уст - ЕЭгО/Ь - (2.S В - 0.7 В)/10 мкФ = 180 кОм, Rl + Ге =Ro. с/Ко. с = 180 кОм/10 = 18 кОм, Ле = 26 мВ/10 мкА = 2,6 кОм, Rl = 18 кОм - 2,6 кОм = 15,4 кОм,

Ci = 1/2я (Rl + Ге) Ы = 1/2я (18 кОм) 100 Гц = 0,089 мкФ, Сг == \l2nRiifii = 1/2я (20 кОм) 100 Гц = 0,08 мкФ.

На рис. 11.18, в представлен компаратор, выполненный на токоразностном усилителе. Так как синфазная составляющая входного напряжения удерживается на уровне 0,7 В с помощью Tl и Д1 (см. рис. 11.17,в), то можно сравнивать напряжение любого уровня, если Ri и Rs предотвращают появление чрезмерного входного тока. Выбирая }?з = (f/.on - {/д,) з и устанавливая Ri = R3, заканчиваем расчет элементов схемы. Коэффициент усиления по напряжению будет коэффициентом усиления усилителя без обратной связи.

Пример 11.6. Используем МС3401 как компаратор, совместимый с ТТЛ-логикой, чтобы обнаружить, когда входное напряжение превысит 50 В. Пусть /з = 20 мкА.

Решение. Положим £/оп = 50 В, £/кк = 5 В. Рассчитаем R = р^ = ([/ - - С/д,) з 50 В/10 мкА = 2,5 МОм.

Токоразностный усилитель может быть использован во многих приложениях как обычный ОУ. Исключение составляет необходимость выбора величины R3 для смещения. Счетверенные токоразностные усилители очень полезны для построения дешевых активных фильтров, усилителей, сумматоров и компараторов. Список возможных применений этих усилителей почти не имеет предела.

/вых. пр= 10 мА (L/вых отдает ток в нагрузку, подключенную к f/кк) ДО 2,5 В при /вых. пр - 200 мА. Высокий уровень 6/вых меньше на 1,3 В по сравнению с Икк при /вых==1 мА текущий в земле от f/вых) и меньше f/кк на 1,8 В при /вых = = 100 мА. Таймер может работать от источников питания схем ТТЛ и может приводить в действие схемы ТТЛ. Время нарастания и спада выходного напряжения составляет 100 не каждое. Рабочий диапазон изменения окружающей температуры для схемы LM555 составляет от -55 до 125 °С, а для схемы LM555C - от О до 70 °С. Устройство нормально поставляется в 8-штырьковом корпусе с двухрядным расположением выводов или в металлическом 8-штырьковом корпусе. Сдвоенный таймер 555-556 поставляется в 14-штырьковом корпусе с двухрядным расположением выводов.

11.3.1. СХЕМА ТАЙМЕРА 555

Блок-схема таймера типа 555 представлена на рис. 11.19, а. Опорное напряжение для компараторов обеспечивается с помощью делителя напряжения R-R-R. Опорные напряжения составляют Vsf/KK для порогового компаратора (компаратор 2) и /з^/кк для компаратора триггера (компаратор /), Триггер устанавливается (приводится в положение, когда на его выходе высокий уровень напряжения) с помощью порогового компаратора, когда f/nop > Vsf/KK- Высокий уровень напряжения на выходе триггера вызывает переход выходного напряжения дополнительного выходного каскада на низкий уровень и отпирание разряжающего транзистора Т\.

Триггер устанавливается в нуль (переходит на низкий уровень выходного сигнала) с помощью компаратора триггера всякий раз, когда f/трг < /з^кк- Низкий уровень выходного напряжения триггера вызывает переход выходного напряжения схемы на высокий уровень и запирание транзистора Ту. Низкое напряжение на выводе, именуемом возврат, вызывает отпирание транзистора Ту и немедленное понижение выходного напряжения. Подача напряжения на управляющий вывод позволяет менять опорное пороговое напряжение. Управляющее напряжение меняет частоту следования импульсов при работе схемы 555 в режиме мультивибратора и ширину импульса при работе .этой схемы, в режиме одновибратора за счет изменения опорного напряжения компаратора 2. Когда этот вывод схемы не используется, то для предотвращения нежелательной модуляции от помех необходимо присоединить конденсатор емкостью 0,01 мкФ между управляющим выводом и землей. Полные технические данные приведены в приложении В.