Основи електроніки та мікросхемотехніки

Основними логічними функціями є:

- логічне заперечення (інверсія)

Y = ; (7.2)

- логічне додавання (диз'юнкція)

Y = X1 + X2 чи Y = X1 V X2 ; (7.3)

- логічне множення (конь'юнкція)

Y = X1 · X2 чи Y = X1 L X2 . (7.4)

Логічний елемент - це електронний пристрій, що реалізує одну з логічних операцій. Логічні елементи являють собою електронні пристрої, у яких оброблювана інформація закодована у вигляді двійкових чисел, відображуваних напругою (сигналом) високого і низького рівня. Термін «логічні» прийшов в електроніку з алгебри логіки, що оперує зі змінними величинами і їхніми функціями, що можуть приймати тільки два значення: «істинно» чи «хибно». Для позначення чи істинності хибності висловлень використовують відповідно символи 1 чи 0. Кожна логічна перемінна може приймати тільки одне значення: 1 чи 0. Ці двійкові змінні і функції від них називаються логічними змінними і логічними функціями. Пристрою, що реалізують логічні функції, називаються логічними чи цифровими пристроями.

На рис. 7.1 - 7.8 представлені логічні елементи, що реалізують розглянені вище функції. Там же представлені так називані таблиці чи станів таблиці істинності, що описують відповідні логічні функції в двійковому коді у виді станів вхідних і вихідних перемінних. Таблиця істинності є також табличним способом завдання ФАЛ.

На рис.1 представлений елемент “НІ”, що реалізує функцію логічного заперечення Y = .

Рис.75.1. Елемент НІ

Елемент “АБО” (рис. 5.2) і елемент “І” (рис. 5.3) реалізують функції логічного додавання і логічного множення відповідно.



Рис. 7.2. Елемент АБО

Рис.75.3 Елемент І

Функції Пірса і функції Шеффера реалізуються за допомогою елементів “АБО-НІ” і “І-НІ”, представлених на рис. 5.4 і рис. 5.5 відповідно.

Рис.75.4. Елемент АБО-НІ.



Рис. 7.5. Елемент І-НІ.

На рисунку 7.6 і 7.7 представлені елементи “ Що виключає Або” і “ Що виключає АБО-НІ”, що реалізують функції нерівнозначності і нерівнозначності з запереченням відповідно.

Рис. 7.6. Елемент, що виключає АБО.

Рис.7.7. Елемент, що виключає АБО-НІ.

Логічні елементи, що реалізують операції кон'юнкції, диз'юнкції, функції Пірса і Шеффера, можуть бути, у загальному випадку, n - входові. Так, наприклад, логічний елемент із трьома входами, що реалізує функцію Пірса, має вид, представлений на рис. 7.8.

У таблиці істинності (рис.7.8) є вісім значень вихідних змінних Y. Ця кількість визначається числом можливих комбінацій вхідних змінних N, що, у загальному випадку, дорівнює: N = 2 n , де n - число вхідних змінних.

Логічні елементи по режиму роботи підрозділяються на статичні і динамічні. Статичні ЛЭ можуть працювати як у статичному, так і динамічному (імпульсному) режимах. Статичні елементи найбільше широко використовуються в сучасних мікросхемах. Динамічні ЛЕ можуть працювати тільки в імпульсному режимі.

Рис. 7.8. Таблиця істинності вихідних даних

Логічні елементи класифікують також за типом транзисторів, які застосовуються. Найбільше поширення одержали ЛЕ на біполярних і МДП - транзисторах і МДП - транзисторах. Крім того, інтенсивно розробляються ЛЕ на арсенід - галієвих МЕП і ГМЕП - транзисторах. Для кожного з перерахованих типів ЛЕ існує число схемотехнічних і конструктивно - технологічних різновидів.

Найбільш розповсюджені схемотехнології:

1. Транзисторно-транзисторна логіка (ТТЛ).

2. Емітерно-зв'язана логіка (ЕЗЛ).

3. Логіка, побудована на основі структури метал-діелетрик-напівпровідник з п-каналом (пМДП).

4. Логіка, побудована на основі структури метал-діелетрик-напівпровідник із транзисторами різної провідності (КМДП).

Технологія ЕЗЛ є так само, як і технологія ТТЛ, біполярною, тобто елементи будуються з використанням біполярних структур. Основою елементів ЕЗЛ є так називаний «перемикач струму», на основі якого будується базовий елемент цієї технології - АБО- -НІ (див. рис. 6.9); по виходу1 даної схеми реалізується логічна функція АБО-НІ, а по виходу2 - АБО.

Через низький вхідний опір схеми ЕЗЛ мають високу швидкодію і працюють переважно в активному режимі, отже, перешкода, яка попадає на вхід, підсилюється. Для підвищення перешкодостійкості шину колекторного живлення роблять дуже товстої і з'єднують із загальною шиною.

Рис. 7.9. Базовий елемент ЕЗЛ.

У порівнянні зі схемами ТТЛ схеми ЕЗЛ мають більш високу швидкодію, але пперешкодостійкість у них набагато нижче. Схеми ЕЗЛ займають велику площу на кристалі, споживають велику потужність у статичному стані, тому що вихідні транзистори відкриті і через них протікає великий струм. Схеми, побудовані за даною технологією не сумісні зі схемами, побудованими по інших технологіях, що використовує джерела позитивної напруги.

У першому та другому поколінні обчислювальної техники використовувалась резисторно-транзисторна логика (РТЛ) та діодно-транзисторна логика (ДТЛ).

Будь-який цифровий пристрій призначений для виконання тієї чи іншої логічної функції, отже, такий пристрій можна представити у виді елементарних комірок, таких як НІ, І-НІ, АБО-НІ, які приведені нижче в таблиці 1.

Робота елемента емітерно-з'вязаної логіки

Найбільш швидкодіючими логічними ІМС у даний час є елементи емітерно-зв'язаної логіки (ЕЗЛ) і особливо елементи емітерно-зв'язаної логіки з емітерними повторювачами на вході (ЕЕЗЛ). Ці елементи працюють у режимі переключення струму, і в них висока швидкодія забезпечується, насамперед, за рахунок запобігання насичення транзисторів шляхом введення глибокого зворотного зв'язку по струму за допомогою резистора в колі емітера. Цей зворотний зв'язок одночасно сприяє скороченню тривалості перехідних процесів у базі транзисторів. Немаловажну роль грають обмеження меж зміни перепадів напруги і використання емітерних повторювачів для введення і знімання інформації.

Найбільш простим елементом на перемикачах струму є елемент ЕЗЛ, схема якого показана на рис. 7.10. Особливості елементів з об'єднаними емітерами зручно пояснити на прикладі цього елемента.



Рис. 7.10. Мікросхема ЕЗЛ

Основу розглянутої групи ІМС складає перемикач струму, що являє собою ключовий елемент на транзисторах з об'єднаними емітерами, (на рис. 1 транзистори T1 -- Тз і Т). У емітерне коло транзисторів задається струм I0 постійного значення. Сталість струму I0 підтримується або шляхом включення в коло эмиттеров порівняно високоомічного резистора R (рис. 7.10), або шляхом використання транзисторного джерела струму. Значення струму I0 вибирають так, щоб у нормальному режимі роботи елемента виключалося насичення транзисторів, що утворюють перемикач струму.

Керування перемикачем струму здійснюється шляхом подачі сигналів на бази транзисторів T1 -- Т3. На базу транзистора T подається фіксований опорний потенціал Uоп, значення якого вибирають так, щоб транзистор Т був здатний пропускати повністю струм I0 при встановленні на базах вхідних транзисторів низького потенціалу, відповідаючого логічному 0.

При подачі високого потенціалу, що відповідає логічній 1, на базу хоча б одного з вхідних транзисторів струм I0 перемикається в емітерне коло відповідного вхідного транзистора. При цьому транзистор Т с фіксованим зсувом замикається. При перемиканні елемента відбувається зміна вихідних потенціалів: потенціал колекторів вхідних транзисторів знижується на, а потенціал колектора транзистора Т, підвищуючи на , досягає рівня напруги джерела живлення Ег.

Таблиця 5.1. Основні логічні функції

У колі послідовно включених перемикачів струму колекторні потенціали не можна безпосередньо використовувати як вхідні напруги для керування наступними ІМС, тому що вони перевищують рівні відповідних потенціалів на входах. Для нормальної роботи ІМС необхідно зробити зрушення рівня колекторних потенціалів. Для цієї мети найбільше часто використовують емітерні повторювачі, що підключаються до колекторів вхідних транзисторів і транзистора з фіксованим зсувом. При цьому зрушення рівня дорівнює перепаду напруги між базою і емітером Uбэ.сд транзистора. Цим перепадом напруги лімітується розмах логічного сигналу

.

Дійсно, на базу вхідного транзистора в провідному стані подається вхідна напруга , яке відповідає логічній 1, що призводить до відмикання цього транзистора і зниженню потенціалу колекторів вхідних транзисторів. При цьому, щоб відкритий транзистор не насичувався, Необхідно забезпечити виконання умови:

,

що можливо тільки в тому випадку, якщо перепад напруги на колекторі не перевищує напруга зрушення, створена повторювачем, тобто при

(7.5)

Порушення цієї умови приводить до насичення транзистора, тому що потенціал його колектора виявляється нижче потенціалу бази. Отже, збільшення розмаху логічного сигналу, який визначається перепадом напруги в колекторному колі вхідних транзисторів, припустимо тільки при відповідному збільшенні зсуву рівня Uбэ.сд. Цього можна досягти, наприклад, шляхом вмикання додаткового діода, що зміщає, у емітерні кола транзисторів Т4 і Т5 . Емітерні повторювачі (без зсувних діодів) забезпечують зсув рівня, що складає 0,8 - 0,9 В. Розмах логічного сигналу, дорівнює цьому значенню, виявляється достатнім для більшості цифрових автоматів, побудованих на елементах ЕЗЛ. При цьому, щоб одержати однаковий розмах логічного сигналу на що інвертуючому і неінвертуючому виходах елемента значення опорів резисторів RKl =RK2 вибираються рівними один одному: RKl =RK2 = RK.

Включення повторювачів призводить також до зменшення вихідного опору елемента, що сприяє підвищенню його навантажувальної здатності і швидкодії. Таким чином, перемикач струму, доповнений емітерними повторювачами, стає логічним елементом, що реалізує операції АБО-НІ і АБО. Сигнал, що відповідають операції АБО-НІ, знімається з виходу повторювача, підключеного до інвертуючої половини елемента (тобто до колекторів вхідних транзисторів), а сигнал, що відповідає операції АБО, -- з виходу повторювача, зв'язаного з транзистором Т (рис. 7.10).

Елементи на перемикачах струму виготовляються у вигляді напівпровідникових чи сполучених ІМС. Так як в цих ІМС транзистори працюють без насичення, то шляхом підключення підкладки та ізолюючих шарів к точкам відповідно з найменшим і найбільшим потенціалами можна замкнути паразитні транзистори, вимкнувши тим самим їх активну дію. Тому в ІМС на перемикачах струму виявляється тільки ємнісний вплив підкладки.

8. Фільтри

8.1 Загальні відомості про електричні фільтри

Електричним фільтром називають чотириполюсник, через який електричні коливання одних частот проходять з малим загасанням, а інших частот -- з великим загасанням. Діапазон частот, у межах якого загасання не перевищує деякої установленої величини, називають смугою пропущення, а діапазон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8.1. Смуги пропущення фільтрів: а) фільтри низьких частот (ФНЧ); б) фільтри високих частот (ФВЧ); в) смугові фільтри; г) загороджувальні фільтри частот, де загасання не менше деякої заданої величини, називають смугою затримування.

У залежності від розташування смуг пропущення і затримування електричні фільтри розділяють на фільтри нижніх частот (ФНЧ), фільтри верхніх частот (ФВЧ), смугові фільтри (СФ) і фільтри, що загороджують, (ЗФ). Амплітудно-частотні характеристики ідеальних фільтрів перерахованих типів приведені на рис. 8.1.

Електричні фільтри знаходять широке застосування в електротехнічних і радіотехнічних пристроях для поділу електричних коливань по частоті, тобто для частотної селекції сигналів. Частотний поділ каналів зв'язку за допомогою електричних фільтрів, що складаються з індуктивних котушок і конденсаторів, уперше здійснене в 1880 р. для одночасної передачі телефонних і телеграфних сигналів по одному проводі (росіянин, військовий зв'язківець капітан Г. Г. Ігнатьев.).

В даний час у практиці проектування електричних фільтрів знаходять застосування різноманітні методи їхнього розрахунку, основними з яких є методи розрахунку по характеристичних або робочих параметрах.

Раніше інших були розроблені теорія і методи розрахунку електричних фільтрів по характеристичних параметрах, що знаходять застосування і в даний час. Електричні фільтри, спроектовані по цьому методу, являють собою каскадне погоджене включення реактивних Г-, Т- і П-образних, або бруківок чотириполюсників (рис 8.2).

Фільтри, що складаються з Г-, Т- і П-образних ланок, називають сходовими або ланцюговими, а фільтри, що складаються з мостових чотириполюсників, називають бруківками. Тому що при каскадному погодженому включенні чотириполюсників їхні характеристичні загасання і фази складаються, тому виявляється достатнім більш докладно розглянути тільки окремі типові ланки фільтрів. Надалі обмежимося розглядом характеристичних параметрів Т и П-образних ланок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.8.2.Типи фільтрів

Необхідність розробки методик розрахунку фільтрів по робочих параметрах обумовлена тим, що їхнім навантаженням, як правило, є заданий постійний активний опір, при якому практично неможливо забезпечити погоджений режим у заданих смугах пропущення. При цьому розрахунок фільтрів значно ускладнюється.

В останні роки при проектуванні електричних фільтрів почали широко застосовувати загальну теорію синтезу електричних ланцюгів. В сучасній електронній техниці все більше використовуються активні фільтри.

8.2 Активні фільтри

Операційний підсилювач є базовим вузлом для побудови активних фільтрів. Активні фільтри включають резистори, конденсатори, котушки індуктивності та операційні підсилювачі. Котушки індуктивності в активних фільтрах використовуються рідко, бо вони громіздкі, дорогі, можуть мати великий опір обмоток і паразитну міжвиткову ємність. Активні фільтри застосовуються майже в будь-якій області електроніки.

Для реалізації фільтрів використовують частотно-залежний негативний зворотний зв'язок. У активних фільтрах використовують такі переваги ОП, як високий вхідний і низький вихідний опори. Це забезпечує розв'язання входу від виходу, тому активні фільтри легко робити багатокаскадними і тим самим покращувати їхні показники. Іншою перевагою ОП, яка використовується у фільтрах, є наявність двох входів і можливість одночасного використання негативного і позитивного зворотних зв'язків. Негативний зворотний зв'язок використовується в усіх фільтрах. Він забезпечує стабільність характеристик і низький вихідний опір фільтру.

Активні фільтри мають і недоліки. Вони потребують джерела живлення, а їх робочий частотний діапазон обмежений зверху частотними властивостями операційного підсилювача. Активні фільтри детальніше вивчають в інших дисциплінах. Як приклад на рис. 8.3 наведено схему універсального (багатоцільового) активного фільтру з одиничним підсиленням.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8.3. Універсальний активний фільтр

Активний фільтр (рис. 8.3) складається з суматора і двох інтеграторів. Він може працювати одночасно як фільтр верхніх частот, фільтр нижніх частот і смуговий фільтр (всі - другого порядку). При цьому частотна характеристика смугового фільтру залежить від характеристик фільтрів верхніх і нижніх частот, як показано на рис. 8.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8.4. Принцип дії смугового фільтру на базі універсального активного фільтру

Універсальний фільтр має високу стабільність, а настройка частоти і настройка добротності мало впливають одна на одну. В якості смугового універсальний фільтр може мати сталу добротність Q = 100. Схема універсального активного фільтру використовується в багатьох активних серійно випускальних фільтрах.

Порядок фільтру - це число його полюсів. Кожен полюс дає нахил АЧХ фільтру (-20 дБ/дек), отже, фільтр другого порядку має два полюси і нахил АЧХ (-40 дБ/дек). Якщо потрібен фільтр вищого порядку, використовується каскадне з'єднання фільтрів нижчого порядку. При цьому порядки (число полюсів) окремих кіл складаються.

Наприклад, каскадне з'єднання двох фільтрів першого і другого порядків дають фільтр третього порядку; з'єднання трьох фільтрів другого порядку дадуть фільтр шостого порядку.

8.2.1 Компаратор. Тригер Шмітта

Компаратор - це пристрій, який порівнює напругу сигналу, що подається на один вхід, з опорною напругою, яка є на іншому вході. На виході компаратора встановлюється позитивна або негативна напруга насичення залежно від того, яка з вхідних напруг більша.

Проста схема компаратора, яка виконана на операційному підсилювачі, наведена на рис. 8.5,а, передавальна характеристика компаратора - на рис. 8.5,б.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.8.5. Компаратор напруги: а - схема; б - передавальна характеристика

1) Якщо напруга на вході U_вх > U_оп, то згідно передавальній характеристиці компаратора рис. 8.5,б напруга на виході дорівнює негативній напрузі насичення:

U_вих = U_нас. (8.1)

Опорна напруга може мати різну полярність. Для схеми рис. 8.5,а розглянемо приклад для трикутного вхідного сигналу. Форма сигналів на вході і виході компаратора наведені на рис. 8.6.

Оскільки підсилення ОП велике (K_ОП = 10⁵...10⁶), то ширина лінійної зони передавальної характеристики мала. Максимальне значення вхідного диференціального сигналу можна розрахувати

U_{вх д max} . (8.2)

Розглянемо роботу схеми рис. 8.5,а. В даній схемі опорна напруга позитивної полярності.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 8.6. Форма сигналів на вході (а) і виході (б) компаратора

1) Якщо напруга на вході U_вх > U_оп, то згідно передавальній характеристиці компаратора рис. 8.5,б напруга на виході дорівнює негативній напрузі насичення:

U_вих = U_нас.

2) Якщо напруга на вході U_вх < U_оп, та напруга на виході дорівнює позитивній напрузі насичення: U_вих = U_нас.

Таким чином, вихідна напруга стрибком перемикається від рівня U_нас до рівня U_нас. Вихідна напруга показує: більша або менша вхідна напруга U_вх опорної напруги U_оп. Перемикання схеми відбувається при рівності напруг: U_вх = U_оп, тобто U_оп - U_вх = 0. Процес перемикання компаратора ілюструє рис. 8.6.

У аналогових інтегральних мікросхемах компаратор часто розробляється так, щоб рівні на його виході були сумісні для роботи з іншими компонентами, наприклад, зі схемами цифрової логіки: U₁ = лог. 1, U₂ = лог. 0.

Компаратори застосовують у наступних схемах.

1) У тригері Шмітта (схемі формування сигналу), що перетворює сигнал довільної форми в прямокутний або імпульсний сигнал.

2) У детекторі нуля - схемі, яка показує момент і напрям проходження вхідного сигналу через нуль вольт.

3) У детекторі рівня - схемі, яка показує момент досягнення вхідною напругою даного рівня опорної напруги.

4) У генераторах сигналів трикутної або прямокутної форми.

Розглянемо тригер Шмітта.

Тригер Шмітта

Схема компаратора 6.5,а може давати помилкове спрацьовування, якщо у вхідному сигналі присутні шуми. Для поліпшення характеристик компаратора вводиться позитивний зворотний зв'язок. Для цього частина вихідної напруги подається на неінвертуючий вхід операційного підсилювача. Схема такого компаратора наведена на рис. 6.7,а, його передавальна характеристика - на рис. 6.7,б. Такий компаратор називають тригером Шмітта.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8.7 .Тригер Шміта: а - схема; б - передавальна характеристика

Напруга позитивного ЗЗ, яка визначається резистивним подільником R₁ і R₂, виконує роль опорної напруги, яка змінюється в процесі роботи, оскільки порогова напруга залежить від значення вихідної напруги.

1) Якщо вихідна напруга дорівнює U_вих = U_нас, та верхня порогова напруга рівна

U_пв = . (8.3)

2) Якщо вихідна напруга рівне U_вих = U_нас, то нижня порогова напруга рівна

U_пн = . (8.4)

Як випливає з рис. 8.7,б, якщо U_вх > U_пв, то на виході встановлюється напруга U_вих =, схема приходить у стійкий стан. Якщо U_вх < U_пн, то на виході встановлюється напруга U_вих =, схема переходить в інший стійкий стан.

Таким чином, у тригера Шмітта існує два стійкі стани: і .

Позитивний зворотний зв'язок створює ефект спускового механізму, прискорюючи перемикання U_вих з одного стану в інший. Якщо порогові напруги перевищують за значенням напругу шумів, то позитивний зворотний зв'язок не допускає помилкових спрацьовувань виходу.

Різниця між напругами U_пв і U_пн називається напругою гістерезису U_гіст

U_гіст = U_пв - U_пн = . (8.5)

Найважливішим показником компараторів є їхня швидкодія.

Компаратор перетворює вхідний сигнал синусоїдальної, трикутної або пилкоподібної форми у вихідний прямокутний сигнал, тобто перетворює аналогові сигнали у дискретні. Його називають також формувачем рівнів.

9. Диференціатори

Диференціатором називається пристрій, у якого вихідна напруга пропорційна диференціалу вхідної напруги.

Схема інвертуючого диференціатора на операційному підсилювачі наведена на рис. 9.1. Полярність сигналів на рис. 9.1 вказана для даного моменту часу.

При аналізі вважатимемо, що операційний підсилювач є ідеальним: U_вх д = 0, I_{вх ОП} = 0. У цьому випадку справедлива рівність:

i_R = i_C. (9.1)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9.1. Інвертуючий диференціатор на операційному підсилювачі

Знайдемо струми

i_C =, i_R = -.

Прирівнюючи струми, знайдемо вихідну напругу

, (9.2)

яка пропорційна диференціалу вхідної напруги.

Для обчислення диференціала від вхідної напруги, що змінюється, необхідно спочатку виразити цю напругу як функцію часу. Розглянемо декілька прикладів.

Приклад 1. Трикутний вхідний сигнал

Епюри вхідної і вихідної напруг диференціатора подано на рис. 9.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9.2. Реакція інвертуючого диференціатора на трикутний вхідний сигнал

Приклад 2. Прямокутний вхідний сигнал

Епюри вхідної і вихідної напруг диференціатора подано на рис. 9.3.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9.3 Реакція інвертуючого диференціатора на прямокутний вхідний сигнал

Таку форму вихідний сигнал буде мати, якщо ОП близький до ідеального. У реальних схемах форма вихідного сигналу буде визначаться частотою проходження вхідних імпульсів та частотними властивостями операційних підсилювачів.

Крім того, схема рис. 9.1 має тенденцію до втрати стійкості, тому вживають заходи щодо динамічної стабілізації диференціатора.

На ОП можна виконати також інші схеми диференціаторів: підсумовуючого, диференціатор-підсилювач, різницевий та інші.

Диференціатор є активним фільтром верхніх частот з коефіцієнтом передачі, більшим одиниці.

10. Інтегратор

Інтегратором називається пристрій, у якого вихідна напруга пропорційна інтегралу за часом від вхідної напруги. Схема інвертуючого інтегратора на операційному підсилювачі наведена на рис. 8.1.

Наведений інтегратор - інвертуючий. Полярність сигналів на рис. 10.1 вказана для даного моменту часу.

При аналізі схеми вважатимемо, що операційний підсилювач є ідеальним:

U_{вх д} = 0, І_{вх ОП} = 0.

У цьому випадку справедлива рівність

i_R = i_C.

Знайдемо ці струми

i_R =, i_C = .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10.1. Інвертуючий інтегратор на операційному підсилювачі

Прирівнявши струми, одержимо

= , .

Інтегруючи вираз du_вих, знайдемо вихідну напругу

, (10.1)

яка пропорційна інтегралу від вхідної напруги. Межами інтегрування у формулі (9.1) є моменти початку та кінця інтервалу часу спостереження сигналу. Для обчислення інтеграла від вхідної напруги, яка змінюється, необхідно спочатку виразити цю напругу як функцію часу. Розглянемо декілька прикладів.

Приклад 1. Ступінчастий вхідний сигнал

Епюри вхідної та вихідної напруг інвертуючого інтегратора наведено на рис. 10.2.

Запишемо вхідний сигнал як функцію часу

u_вх(t)=



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.10.2. Реакція інвертуючого інтегратора на ступінчасту вхідну напругу

Знайдемо залежність вихідної напруги від часу

. (10.2)

Таким чином, вихідний сигнал прямо пропорційний часу і має полярність, протилежну полярності вхідного сигналу.

Якщо заданий інтервал спостереження (0…t₁), то вихідна напруга до кінця спостереження буде рівна

. (10.3)

Приклад 2. Прямокутний вхідний сигнал

Ступінчаста форма сигналу і формули (10.2) і (10.3) дозволяють легко визначити форму вихідного сигналу, якщо на вхід поданий прямокутний сигнал. Епюри вхідної і вихідної напруг інвертуючого інтегратора подано на рис. 10.3.

Форма вихідного сигналу вийшла трикутною. Для визначення значення U_{вих max} необхідно за формулою (10.4) знайти значення інтеграла за півперіод (0…t₁)

U_{вих max} = . (10.4)

При аналізі роботи інтегратора операційний підсилювач вважався ідеальним. Реальний ОП має напругу зміщення нуля U_зм і струм зміщення І_зм. Ці величини призводять до помилок інтеграції. Для їх зменшення вводять в схему інтегратора два резистори R₁ і R₂, як показано на рис. 8.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.10.3. Реакція інвертуючого інтегратора на прямокутний однополярний сигнал

У схемі рис. 9.4: R₁ = R || R₂ - компенсуючий опір, який зменшує вплив струму зміщення; R₂ - шунтуючий опір, зменшує вплив напруги зміщення.

Інтегратор є активним фільтром нижніх частот першого порядку із спадом АЧХ (-20 дБ/дек) і з коефіцієнтом передачі у смузі пропускання, більшим одиниці. Для схеми рис. 8.4 коефіцієнт передачі рівний

K = .

На ОП можна виконати також схеми: суматор-інтегратор, інтегратор-підсилювач, різницевий інтегратор, подвійний інтегратор та інші.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10.4. Корекція помилок в інтеграторі

Основна рекомендована лiтература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1992.

2. Захаров В.К. Электронные элементы автоматики. - Л.: Энергия, 1975.

3. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов. - М.: Горячая Линия - Телеком, 1999.

4. В.С.Валенко Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств М.: Издательский дом «Додэка - ХХІ», 2001.

5. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигнали. - 3-е изд., пер. и доп. - М.: Высшая школа, 2000.

6. Бочаров Л.Н. Эквивалентные схемы и параметры полупроводниковых приборов.- М.: Энергия, 1973.

7. Степаненко И.П. Основы теории транзистров и транзисторних схем. - М.: Энергия, 1977. - 672 с.

8. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1980. - 424 с.

Додаткова література

1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1987.

2. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. - М.: Высшая школа, 1979.

3. Справочник по полупроводниковым приборам. Под редакцией Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

Размещено на Allbest.ru