Радиоэлектронные устройства (справочник) (стр. 1 )

Б. И.ГОРОШКОВ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА (СПРАВОЧНИК)

Издательство «Радио и связь», 1984

ПРЕДИСЛОВИЕ

Радиоэлектронные устройства находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Создание новых радио­электронных приборов связано с большим и кропотливым трудом. В процессе разработки аппаратуры много внимания приходится уде­лять сбору информации и анализу существующих схемных решений. При этом необходимо учитывать, что применение той или иной схе­мы зависит от условий эксплуатации и прежде всего от климатиче­ских условий, согласования с источником сигнала и нагрузочными цепями. Немаловажное значение имеет элементная база, на основе которой разрабатывается аппаратура. В поиске и-выборе схемных решений существенную помощь может оказать систематизированная и обобщенная информация о существующих схемах различных устройств. Несмотря на то, что за последнее время был выпущен ряд работ, в которых отражалась схемотехника различных устройств радиоэлектроники, на сегодняшний день нет работы, охватывающей по возможности все или почти все устройства общего назначения. Настоящая работа предназначена в той или иной степени устранить этот пробел.

Наряду с. разработками автора в справочнике приведены схемы, которые были собраны за период, начиная с 1961 г. по настоящее время, из очень многих литературных источников, изданных в СССР и за рубежом. Как показал анализ публикуемых схем, большинство из них, за исключением незначительного количества первоначаль­ных, обладает существенной преемственностью по отношению к пре­дыдущим решениям. В связи с этим в данной работе оказалось за­труднительным дать ссылку на источник каждой электрической схе­мы. Автор выражает искреннюю благодарность авторам .всех исполь­зованных в работе схем за их кропотливый труд по расчету и экспе­риментальному изучению схем.

Ввиду справочного характера книги описание схем носит лако­ничный характер. В них, как правило, приведены только основные технические характеристики и самые необходимые расчетные соотно­шения. Тем не менее работа может быть полезной широкому кругу лиц, занимающихся созданием радиоэлектронных устройств, являясь опорной базой для создания более совершенных узлов

Отзывы и критические замечания по содержанию книги, а также предложения по усовершенствованию приведенных схем следует на­правлять Москва, Почтамт, а/я 693 издательство «Радио и связь», Массовая радиобиблиотека.

Автор

Глава 1

МИКРОСХЕМЫ И СХЕМЫ ИХ ВКЛЮЧЕНИЯ

В настоящее время операционные усилители (ОУ) получи­ли наиболее широкое распространение среди аналоговых интеграль­ных схем. Это обусловлено возможностью реализации на их основе самых различных линейных и нелинейных аналоговых и аналого-цифровых устройств. Различные способы преобразования аналоговых сигналов выдвигают самые разнообразные требования к ОУ. Удов­летворить все эти требования в ОУ одного типа практически невоз­можно. По этой причине промышленностью выпускаются ОУ несколь­ких типов, каждый из которых удовлетворяет ограниченному числу. требований. Все вместе они перекрывают широкий диапазон требо­ваний.

Операционные усилители строятся на основе трех - или двухкас-кадных структурных схем. Трехкаскадная схема содержит каскады входного дифференциального усилителя, усилителя напряжения и усилителя амплитуды сигнала, объединяющего схемы сдвига уровня и формирования выходного сигнала. Выходные эмиттерные повтори-тели, осуществляющие переход к низкоомной нагрузке, в формирова­нии коэффициента усиления - ОУ не участвуют. В двухкаскадных ОУ входной каскад объединяет функции дифференциального усилителя и усилителя напряжения.

Большое количество различных типов ОУ, выпускаемых серийно, можно разбить на две большие группы по их элементной базе. Пер­вая из этих групп, в которую входят в основном ОУ первого поко­ления, характеризуется использованием главным образом транзисто­ров типа n-р-n и большого количества резисторов, в то время как интегральные ОУ второй группы отличаются применением компле­ментарных структур (совокупностью транзисторов типов n-р-n и р-n-р) и резким уменьшением количества резисторов. К первой груп­пе относятся трехкаскадные ОУ типа К153УД1, а ко второй — двух-каскадные типа К140УД7. Параметры ОУ второй группы значитель­но лучше. Так, у ОУ типа К140УД7 более широкий диапазон измене­ния входного дифференциального напряжения, простая схема ком­пенсации смещения, встроенный МОП-конденсатор емкостью около 30 пФ, обеспечивающий устойчивость ОУ для любой конфигурации и параметров цепи обратной связи (ОС). Кроме того, предусмотрена защита ОУ от коротких замыканий по выходу.

Возможности использования современных ОУ можно расширить еще больше, если создать условия для изменения некоторых из его параметров под воздействием внешних управляющих сигналов. Опе­рационные усилители такого типа обычно называют программируе­мыми. Программируемым ОУ является микросхема К.140УД12.

Основные метрологические характеристики ОУ определяются па­раметрами его входного дифференциального каскада. Простейшая схема этого каскада представлена на рис. 1.1. Вольт-амперную ха­рактеристику эмиттерного диода транзистора с достаточной степенью точности можно описать выражением вида

Iэ=Iэвоexp UБЭ/Фт. (1)

где фт — температурный потенциал (для Т=300 К фт = 26 мВ); IЭБО — обратный ток эмиттера; UБЭ — управляющее переходом ба­за — эмиттер напряжение. Это выражение справедливо при UБЭ >фт. По формуле (1) можно вычислить практически все входные пара­метры дифференциального каскада. Так, входное дифференциальное сопротивление ОУ равно Rвх. д = 2h11Б, а коэффициент усиления на­пряжения

Ky. u = UK1/UD = UK2/UD, где UD = Ul—U2. (2)

Таким образом, коэффициент усиления напряжения практически ра-. вен половине коэффициента усиления каскада с общим эмиттером (ОЭ), т. е. выражение (2) можно привести к виду Kи. и = h21ЕRк/2h11Е. Сюда входит входное сопротивление h11В каскада с общим эмитте­ром, которое зависит от эмиттерного тока транзистора или от номи­нала источника тока дифференциального каскада I0. Если коэффици­ент передачи тока транзистора h21Е>1, то h21Е=h21Ефт/Iэ = 2h21Ефт/I0. Тогда получим Rвх. д = 4h21Ефт/Iо и Kу. и=RкIо/4фт. Эти выражения показывают, что регулировкой источника тока I0 вход­ного дифференциального каскада можно изменять такие параметры ОУ, как коэффициент усиления напряжения и - входное дифферен­циальное сопротивление.

На рис. 1.2 представлены графические зависимости Rвх. д=f(Iо) и Kум=f(I0) для h21Е=100 и Rк=3,5 кОм. Однако эмиттерный ток входного каскада I0 влияет не только на эти параметры, но и на такие не менее важные характеристики, как входной ток ОУ, ско­рость. нарастания выходного напряжения я потребляемая мощность.

Широко распространенной разновидностью, ОУ являются так называемые ОУ с переменной крутизной, наиболее характерным параметром которых является управляемая проводимость. Выход­ной каскад усилителя такого типа практически представляет собой источник тока. Программируемый источник тока, который исполь­зуется для питания входного дифференциального каскада и управ­ления параметрами ОУ, реализован по схеме «токового зеркала».

Рис. 1.1 Рис. 1.2

Вместо коллекторных резисторов применяют аналогичную схему. Принципиальная схема усилителя с переменной крутизной представ­лена на рис, 1.3. Для данной схемы справедливы следующие соотно­шения:

Для суммарного тока дифференциального каскада можно получить

Передаточная проводимость при этом - равна

Схема токового зеркала, используемая для питания дифференциаль­ного каскада и реализованная на транзисторах VT3 и VT4, описы­вается следующим соотношением: S = I0/I3 = h21E/(h21E+2). Если коэффициент передачи тока транзисторов VT3 и VT4 уменьшается до 20, что вполне реально для малых коллекторных токов, то отно­шение 5 равно 0,9 вместо 1, т. е. появляется погрешность передачи токов. Для уменьшения этой погрешности обычно применяют более сложные схемы токового зеркала, позволяющие получить значитель­но меньшую погрешность при равном коэффициенте передачи тока используемых транзисторов. Так, схема, реализованная на транзи­сторах VT13 — VT15, обеспечивает коэффициент усиления K=0,9 при коэффициенте передачи по току h21Е = 4 и описывается выраже­нием

Если к высокоомному выходному каскаду с переменной крутиз­ной подключить буферный эмиттерный повторитель, то в результате получится регулируемый ОУ.

Рис. 1.3

Рис. 1.4

Примером программируемого ОУ является интегральная микро­схема К140УД12. Упрощенная схема этого ОУ приведена на рис. 1.4. Управление входными параметрами ОУ осуществляется регулировкой рабочего тока. Входной каскад ОУ построен по каскодной схеме на комплементарных транзисторах, причем транзисторы типа n-р-n имеют большой коэффициент передачи тока, а у транзисторов типа р-n-р он может изменяться. Тем самым обеспечивается полная сим­метрия входного каскада. Так как эмиттерные токи транзисторов VT1 и VT2 определяются их базовыми токами, то входное сопро­тивление ОУ и коэффициент усиления входного каскада также за­висят от эмиттерных токов VT1 и VT2, а следовательно, могут ре­гулироваться изменением рабочего тока по входам Si, 52. Входное сопротивление такого ОУ примерно в.2 раза больше, чём у ОУ с простейшим дифференциальным каскадом, вследствие использова­ния каскодной схемы. Кроме высокого входного сопротивления кас-кодный усилитель обладает лучшими частотными характеристика­ми, ,в частности, за счет уменьшения коэффициента пересчета емко­стей переходов коллектор — база транзисторов VT1 и VT2 ко входу по сравнению со схемой с общим эмиттером. Эмиттерный повтори­тель на транзисторе VT7 и схема сдвига уровня на транзисторах VT4 и VT6 предназначены для согласования входного дифференци­ального каскада и выходного буферного усилителя. Транзисторы VT21 и VT22 устраняют искажения, возникающие в выходном кас­каде, построенном на комплементарных транзисторах и работающем в режиме АВ. Транзисторы VT23 и VT24 служат для защиты выход­ного каскада от короткого замыкания.