Аналоговые БИС общего применения

АНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ БИС ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ (УНИВЕРСАЛЬНЫЕ)

Аналоговые БИС общего применения

На этом практическом занятии предполагается рассмотреть в качестве примеров многоканальные интегральные ОУ и аналоговые БИС на основе аналоговой системы ФАПЧ.

Многоканальные интегральные ОУ и компараторы.Они представляют собой сдвоенные или даже счетверенные однотипные ОУ или компараторы, размещенные в одном корпусе. Эти электронные компоненты не только однотипные, но и, как правило, обладают достаточно высокой согласованностью своих параметров. Однако в многоканальных устройствах появляется новый важный показатель – развязка между отдельными каналами. Часто такая развязка характеризуется как амплитудная и фазовая неидентичность каналов.

Сначала дадим информацию о современных интегральных ОУ. Возможная классификация таких широкополосных ОУ приведена на

рис. 4.1.

Преподаватель должен дать краткий комментарий к содержанию данной таблицы.

В настоящее время известны четыре основные разновидности (типы) интегральных широкополосных ОУ. Они различаются по степени близости к идеальным управляемым источникам (трансакторам) [1]:

ИНУН, ИНУТ, ИТУН и ИТУТ.

Рис. 4.1

Как видно из рис. 4.1, современные ОУ отличаются большим многообразием. Выделим наиболее значимые с практической точки зрения типы:

1. ОУ напряжения или, как их часто называют в литературе, с обратной связью по напряжению – ОУ типа ОСН. Такие ОУ выполняются не только с использованием классической схемотехники, основы которой рассматривались на лекциях по дисциплине «САЭУ». Ниже будут обсуждены особенности современного построения ОУ этого типа.

2. Быстродействующие ОУ с обратной связью по току (ОУ типа ОСТ), или так называемые трансимпедансные усилители.

3. Транскондуктивные ОУ.

4. ОУ типа «ток в ток» (current to current).

В последние годы появились сверхширокополосные интегральные усилители, которые условно называют СВЧ ОУ. Действительно, их полоса пропускания достигает нескольких ГГц, но коэффициент усиления на средних частотах не превышает 26÷30 дБ. Поэтому они никак не могут быть отнесены к действительно классическим ОУ и тем более к БИС.

Первые два типа интегральных ОУ, названных выше, по степени близости к идеальным управляемым источникам относятся к ИНУН и образуют подкласс ОУ напряжения.

Третий тип ОУ (транскондуктивные ОУ) по тому же показателю относится к ИТУН и образуют подкласс ОУ тока.

Четвертый тип ОУ может быть совершенно четко отнесен к ИТУТ.

Кратко обсудим первый тип интегрального ОУ, который представляет собой ИНУН. На рис. 4.2 показаны его условное графическое обозначение (а) и схема замещения в виде идеального четырехполюсника типа ИНУН (б).

Рис. 4.2

Упрощенная схема реального ОУ типа ИНУН изображена на рис.4.3.

Рис. 4.3

Отметим основные особенности выполнения входного каскада таких ОУ:

· в классическом варианте – это дифференциальный каскад с токозадающим транзистором или с токовым зеркалом (либо Видлара, либо Вильсона)[1];

· в современном быстродействующем варианте – это дифференциальный усилитель, выполненный по мостовой схеме исключительно на эмиттерных повторителях (так называемый H-мост или H-bridge). Такой вариант выполнения входного каскада использован, например, в ОУ типа AD8057. При этом ограничение по току возникает при существенно больших значениях коллекторного тока, что позволяет резко увеличить скорость нарастания выходного напряжения в ОУ.

Теперь сформулируем некоторые особенности построения выходного каскада данных ОУ:

· в классическом варианте – это сложный эмиттерный повторитель:

· в современном варианте – это двухтактный каскад по схеме с ОЭ, что позволяет получить размах выходного напряжения, примерно равный удвоенной величине напряжения источника питания. Такие ОУ называют «ОУ типа Rail-to-Rail» (или «шина к шине»). Они отличаются поведением частотной зависимости модуля выходного сопротивления, а именно: на низких частотах его величина достигает нескольких десятков кОм, а в рабочем диапазоне частот – нескольких десятков Ом.

На рис. 4.4 приведен пример принципиальной схемы ОУ типа Rail-to-Rail , которая содержит более 100 интегральных элементов.

Усредненные значения основных параметров реальных ОУ, принадлежащих к классу ИНУН:

· коэффициент усиления напряжения на постоянном токе	5 ÷ ;
· частота единичного усиления , МГц	50÷1500;
· максимальная скорость нарастания выходного напряжения ρ, В/мкс	100÷1000;
· входное сопротивление , кОм	20÷10000;
· входная емкость , пФ	не более 1,5;
· выходное сопротивление , Ом	8÷60;
· коэффициент подавления синфазных сигналов , дБ 80÷100;
· количество интегральных элементов в одном ОУ	80÷100;
в счетверенном ОУ	более 320.

Рис. 4.4

Другой тип интегральных ОУ – транскондуктивные ОУ - по степени близости к идеальным управляемым источникам относятся к ИТУН и образуют подкласс ОУ тока [3]. На рис. 4.5 приведены их условное графическое обозначение (а) и схема замещения в виде идеального четырехполюсника типа ИТУН (б).

Рис. 4.5

Чтобы получить усиление по напряжению, нужно к выходным зажимам 2 – 2' подключить сопротивление :

В таком ОУ имеется возможность регулирования величины с помощью управляющего тока .

Упрощенная схема реального ОУ типа ИТУН изображена на рис. 4.6.

Рис. 4.6

Обычно входной каскад ОУ этого типа выполняется по классическому варианту ДК с токозадающим транзистором. Что касается выходного каскада, то он реализуется на токовых зеркалах, которые обеспечивают высокое значение выходного сопротивления.

Перечислим усредненные значения основных параметров реальных ОУ, принадлежащих к классу ИТУН:

· крутизна усиления , мА/В	10÷15;
· максимальная скорость нарастания выходного напряжения ρ, В/мкс	50÷125;
· входное сопротивление , кОм	10÷30;
· входная емкость , пФ	не более 3;
· граничная частота по уровню 0,707 ,МГц	2÷40.

Быстродействующие трансимпедансные интегральные ОУ (или ОУ типа ОСТ) в зависимости от использования инвертирующего или неинвертирующего входа могут по своим показателям приближаться либо к ИНУН, либо к ИНУТ.

На рис. 4.7. дано условное графическое обозначение такого ОУ.

Рис. 4.7

Упрощенная схема реального трансимпедансного интегрального ОУ показана на рис. 4.8.

Рис. 4.8

Выходной каскад трансимпедансных ОУ обычно выполняется по классической схеме сложного эмиттерного повторителя.

Обратим внимание на асимметричное исполнение входного каскада, а именно: неинвертирующий вход является высокоомным, а инвертирующий вход – низкоомным (единицы Ом).

Таким образом, если входной сигнал подать на неинвертирующий вход, то такое включение будет соответствовать ИНУН, а если поступает на инвертирующий (то есть низкоомный) вход, то такое включение ОУ будет соответствовать ИНУТ.

Достоинства таких ОУ:

· высокая линейность;

· отличные частотные свойства:

· высокая скорость нарастания или спада выходного напряжения (до 6500 В/мкс);

· большая величина входного сопротивления

= 110 кОм÷8 МОм;

· весьма малая величина выходного сопротивления

= 1÷ 15 Ом;

· достаточно хорошее подавление синфазных сигналов

= 50 ÷ 120 дБ.

Приведем усредненные значения основных параметров для конкретного типа ОУ с ОСТ LMH 6722[2]:

- четыре канала;

- полоса пропускания по уровню (– 3 дБ) при K₀ = 2 составляет 400 МГц;

- максимальная скорость нарастания ρ не менее 1800 В/мкс;

- уровень второй гармоники –58 дБ;

- уровень третьей гармоники –70 дБ на частоте 20 МГц.

Четвертый тип интегрального ОУ в зависимости от схемы включения может быть отнесен либо к ИТУН, либо к ИТУТ. Его условное графическое обозначение приведено на рис. 4.9.

Рис. 4.9

Упрощенная схема реального интегрального ОУ класса ИТУТ изображена на рис. 4.10.

Рис. 4.10

Здесь, как и в предыдущем типе ОУ, входной каскад выполнен асимметричным образом. Это позволяет реализовать режим ИТУТ, если входной сигнал подать на инвертирующий вход, и режим ИТУН при подаче входного сигнала на неинвертирующий вход.

Усредненные значения основных параметров таких ОУ:

, ρ = 850 3000 В/мкс, коэффициент усиления тока в режиме ИТУТ до 8.

В последнее время появились разработки полностью дифференциальных операционных усилителей как с ОСН, так и с ОСТ, входные и выходные каскады которых выполнены симметричным (дифференциальным) образом.

Указание.Целесообразно предложить студентам, используя каталог DATA в программных пакетах семейства Micro-CAP (версии 8-10), познакомиться с принципиальными схемами интегральных ОУ типа UA709 и UA741, а также провести их DC- , AC- и TRANSIENT-анализ.

Аналоговая БИС на основе системы ФАПЧ.Такая ИМС типа К174 ХА16 (ее зарубежный прототип TDA 3520) описана в [4]. Студентам рекомендуется освежить в памяти основы теории систем ФАПЧ по конспектам лекций соответствующих курсов, после чего изучить принцип построения и функционирование указанной ИМС самостоятельно.

Список рекомендуемой литературы

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том 1. – М.: Додэка, 2008.

2. Богатырев Е.А., Магнитский Е.И. Исследование дифференциального каскада с помощью программного пакета Micro-Cap 7. Лабораторная работа: методическое пособие/ Е.А.Богатырев, Е.И.Магнитский; под ред. Э.Л.Муро. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 12 с.

3. Богатырев Е.А. Микроэлектронные аналоговые и аналого-дискретные устройства приема и обработки радиосигналов. – М.: Издательский Дом МЭИ, 2007.

4. Замолодчиков В.Н. Системы радиоавтоматики в бытовой радиоэлектронной аппаратуре. – М.: Изд-во МЭИ, 1998. – 16-25с.

[1] Студентам предлагается выполнить самостоятельную работу по моделированию такого ДК , используя как [2], так и схему дифференциального усилителя RCA3040 из каталога DATA в программных пакетах семейства Micro-CAP (версии 8-10).

[2] Целесообразно предложить студентам выяснить с помощью Internet основные параметры четырехканальных ОУ типа AD8008 и AD8009 и сравнить их с параметрами данного ОУ.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: