Главная » Мануалы

1 ... 4 5 6 7 8 9 10 ... 43

Глава 2 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ

Дж. Силверман О,

ВВЕДЕНИЕ

Материал этой главы посвящен широкому классу интегральных схем (ИС), объединенных общим названием функциональные узлы . В выпускаемых фирмами-изготовителями справочных материалах эти схемы обычно приводятся в разделах о микросхемах смешанного типа и специального назначения; Такие функциональные ИС были спроектированы для решения целого ряда задач, с которыми приходится сталкиваться. при разработке электронных устройств. Поскольку сложность таких схем достаточно высока, их функционирование обычно трудно описать простым набором уравнений. Назначение предлагаемой главы заключается в том, чтобы снабдить разработчика основными сведениями по этим устройствам с точки зрения их применения и расчета. Подобная информация позволит разработчику легко выбрать наиболее пригодный в каждом конкретном случае прибор. Поскольку изготовители ИС постоянно повышают качество своей продукции, приводится обзор и перспективной продукции, находящейся в стадии разработки.

2.1. ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНЬШ ПЕРЕМНОЖИТЕЛИ

Для построения разнообразных аналоговых систем требуется схема, выходной сигнал которой представляет собой произведение двух входных сигналов. Выполняющий подобную операцию функциональный узел называется аналоговым перемножителем.

) Joel Silverman, Marketing Manager, Siliconix Inc, Santa Clara, Calif. (Bo время работы над этой главой автор представлял фирму Ехаг Integrated Systems.)




Необходимость в таком перемножителе диктуется не только его способностью производить арифметические операции, такие, как умножение, деление, возведение в квадрат и извлечение квадратного корня, но, как это будет показано в дальнейшем, он является также основным функциональным узлом при построении АМ-детекторов и формирователей, блоков преобразования частоты (конвертеров) и фазовых детекторов. На рис. 2.1 приведена условная схема аналогового перемножителя. Его выходной сигнал определяется следующим образом:

V,. = KVVy, (2.1)

где Vx и Vy представляют собой соответственно прикладываемые к зажимам X я Y аналоговые сигналы, а К - постоянный

коэффициент передачи перемножителя, размерность которого определяется как Б-. Соотношение (2.1) описывает характеристическое уравнение идеального четырехквадрант-нсго перемножителя, в результате чего амплитуда и полярность выходного сигнала опре-Рис. 2.1. Структурная схема перемно- деляются исключительно тра-жтеля. Увах == KVxVy. метрами входных сигналов.

При этом допускаются любые сочетания положительных и отрицательных значений входных воздействий, лежащих в пределах рабочего динамического диапазона данного перемножителя.

2.1а. Анализ реальных перемножителей

Соотношение (2.1) описывает передаточную функцию идеального перемножителя, в которой не учитываются всевозможные смещения, всегда присущие каждой реальной, неидеальной схеме. Поскольку выходной сигнал перемножителя представляет собой функцию двух независимых входных переменных, его рабочие характеристики необходимо определять, исходя из действующих на каждом входе напряжений смещения, а также требуется учесть и напряжение смещения выходного каскада. При учете этих конечных смещающих факторов реальная передаточная функция принимает следующий вид:

1вых = К (Fx + Фх) iVy + Фу) -f Ф. (2.2)

где Фл: и Фу - действующие соответственно на входах X и Y напряжения смещения, а Фвых - выходное напряжение смещения перемножителя. Таким образом, для обеспечения выполне-



ния операции умножения с высокой точностью необходимо произвести четыре независимые регулировки, три из которых обнуляют внутренние напряжения смещения, а четвертая устанавливает требуемый коэффициент передачи перемножителя. В больщинстве случаев коэффициент передачи перемножителя задается равным 0,1. При этом допускается напряжение одного из обоих входных сигналов в диапазоне до 10 В, при условии что напряжение выходного сигнала не превышает 10 В. Поскольку напряжения смещения отрегулированы соответствующим образом, а /С - 0,1, то передаточная функция имеет вид

вых = у/10. (2.3)

Для описания рабочих характеристик перемножителя используется несколько ключевых параметров. Они обычно используются для определения и установления любого отклонения от заранее рассчитанной передаточной функции. К таким ключевым факторам относятся точность , линейность и ширина полосы пропускания . Четкое понимание влияния этих параметров необходимо для правильного задания рабочих характеристик схемы.

Точность определяется как отклонение реального выходного сигнала от идеального при любых сочетаниях сигналов на входах X и Y, лежащих в определенном рабочем диапазоне перемножителя. Задание этого параметра обычно производится в процентах от полного размаха выходного сигнала перемножителя. Следовательно, для перемножителя с диапазоном изменения выходного сигнала ± 10 В и полной точностью 0,5 % сигнал должен иметь отклонения от идеального вычисленного значения не более ±50 мВ.

Линейность обычно выражает отклонение характеристики от наилучшей надлежащей прямой линии и, как правило, дается -в процентах от полного размаха выходного сигнала, поскольку максимальное отклонение происходит на краях динамического диапазона перемножителя. Например, если для перемножителя с диапазоном изменения выходного сигнала ±10 В задана линейность 0,5%, то максимальное отклонение характеристики от проходящей наилучшим образом прямой линии составит ±50 мВ.

Ширина полосы пропускания представляет собой параметр, определяющий, насколько функционирование перемножителя в диапазоне высоких частот соответствует его низкочастотным характеристикам. Поскольку данный параметр сильно зависит от конкретного применения перемножителя, следует определить несколько полос Пропускания:

1. Ширина полосы пропускания, соответствующая абсолют.-ной погрешности 1%, определяется той частотой, где фазовый



вектор между идеальным и реальным выходными сигналами равен 1 %. Эта частота соответствует фазовому сдвигу схемы перемножителя 0,01 рад, или 0,57°.

2. Ширина полосы пропускания, соответствующая фазовому сдвигу 3°, определяется частотой, где фазовый сдвиг схемы перемножителя достигает 3°.

3. Ширина полосы пропускания по уровню 3 дБ определяется частотой, на которой выходной сигнал перемножителя спадает на 3 дБ относительно

--.

его низкочастотного значения при условии, что на выходе схемы поддерживается постоянная амплитуда сигнала.

4. Ширина полосы пропускания по крутизне определяется частотой, на которой значение крутизны пе-ремножитёля спадает на ЗдБ относительно низкочастотного значения. Эта ширина полосы пропускания определяет частотный диапазон, в котором перемножитель может функционировать в качестве фазового детектора или синхронного АМ-детектора.

С тем чтобы лучше понять функционирование перемножителя, основательное знакомство с его схемой представляет собой задачу первостепенной важности. На рис. 2.2 изображена ячейка перемножителя Гильберта, которая включает в себя три эмиттерно-связанные транзисторные пары и наиболее пригодна для реализации четырехквадрантного умножения. Все дальнейшее изложение основывается на том, что характеристики всех транзисторов идентичны и можно пренебречь их базовыми токами и выходным сопротивлением.

На первом этапе рассчитываются коллекторные токи транзисторов Qs, Q4, Qb и Qe, исходя из напряжения V\. В соответствии с основным уравнением диода

Рис. 2.2. Схема перемножителя Гиль-берта. /вых=/сз+5-/с4+б-



где Ут=.КТ/д представляет собой тепловой потенциал, а /s- обратный ток насыщения,

V, = Vbe. - Vbe, = Vr In Ucjfcd, . I с. = /с.е'/

Но /сз +/ci = /c,i так что

Тогда ток коллектора транзистора Qi определяется как 1с,

\ = /с, - /с./(1 + - /) = IcJd + .Z). (2.5)

Используя тот же самый способ, можно определить соответственно токи транзисторов Qs и Qe:

Ic.-fcJ{l + et), (2.6)

/c. = W(l+- /) (2.7)

совместно с токами транзисторов Qi и Q2:

/c. = /W(l+e /0 (2.8)

/c. = W(l-f (2.9)

Затем, объединяя уравнения (2.4) -(2.9), можно получить уравнения для коллекторных токов в зависимости от входных напряжений Fi и I/2 и тока Iee- Таким образом, выражения для нахождения коллекторных токов 1с 1с Id. и /св по имеющимся входным напряжениям Vi и Vi определяются следующим образом:

/сз = W(l Ч-в-/ПС! + -/) (2.10)

/c. = W(l+-/)(l+/0 (2.11)

/c3 = W(l+/ )(l+/). (2.12)

/ce = W(l+/)(l+.-/-). (2.13)

Тогда дифференциальный выходной ток составит

- {Jc, -f /с,) = (/Сз - /с,) - (/с, - 1с,), (2.14)

/bb,x = /BBth[l/./(2F,)]thlF2/(2K,)I. (2.15)




4-0-

Ркс. 2.3. Принципиальная схема четырехквадрантного перемножителя.

Следовательно, окончательная передаточная функция представляет собой произведение гиперболических тангенсов двух входных сигналов и, по существу, линейна только для входных сигналов, которые малы по сравнению с . напряжением Vt-С целью улучшения линейности и обеспечения более широкого динамического диапазона необходимо заменить экспоненциальные передаточные характеристики линейной функцией. Этого можно добиться с помощью предварительной модификации сигнала на входе X и линеаризации сигнала на входе У, как показано на рис. 2.3. Функционирование приведенной схемы можно представить следующим образом.

Входное напряжение Vy линеаризуется с помощью разделения источника тока 1ее и введения отрицательной обратной связи через эмиттерный резистор Ry. Этот резистор повышает линейность крутизны эмиттерно-связанной пары транзисторов в широком рабочем диапазоне. Однако этот метод нельзя применить для линеаризации входного напряжения V\ из-за крестообразно связанной пары транзисторов, используемой в этом звене. Предварительная модификация сигнала на этом входе производится с помощью цепи, образованной диодами Di, D2 и транзисторами Qj, Qb. Более полное изложение этого материала можно найти



в работах [4. 5]. В результате преобразования получаем

Fi = 2Fyarth(/(F ££). (2,16)

Таким образом, общая передаточная функция имеет вид

Уву, = 2УхУуКь1(.1ееЯхЯу) (2-17)

С помощью такого исходного аналогового функционального узла можно реализовать все стандартные аналоговые функции, а именно умножение, деление, возведение в квадрат и извлечение квадратного корня. В то время как функции умножения и возведения в квадрат реализуются на этой схеме непосредственно (функция возведения в квадрат получается при соединении между собой входов X яУ), реализация функций деления и извлечения квадратного корня требует некоторого разъяснения.

2.16. Деление

На рис. 2.4, а представлена структурная схема реализации функции деления. Перемножитель здесь включен в цепь обратной



а

Рис. 2.4. Выполнение функций делешя {а) и извлечения квадратного корня (б).

связи операционного усилителя (ОУ). Сжато функционирование этой схемы можно описать следующим образом. На вход X перемножителя подается делитель, а делимое поступает на один из суммирующих входов ОУ; на другой вход заводится сигнал с выхода перемножителя. При функционировании с замкнутой петлей обратной связи на выходе ОУ существует некоторое напряжение, а именно такое, что выходное напряжение перемножителя Vz = -Vn- Ho поскольку напряжение Vz должно быть



равно VxVy/\0, выходное напряжение операционного усилителя тогда составит

оых === - mjV, - lOVr,/Vo. (2.18)

Важно отметить, что в таком включении знак знаменателя дроби должен быть отрицательным или полярность обратной связи будет менять его и переводить схему в ключевой режим с фиксацией состояния. Этот ключевой режим является общим для всех схем деления и не оказывает существенного вреда.

2.1 в. Схема извлечения квадратного корня

Приведенная на рис. 2.4, б схема извлечения квадратного корня характеризуется тем, что перемножитель, включенный в цепь обратной связи, работает как схема возведения- в квадрат. В ре альной схеме напряжение на выходе Z равно Увых> умножен ному на постоянный коэффициент, и также равно -Vbx- Следо вательно, выходное напряжение усилителя Увых пропорциональ но корню квадратному из входного напряжения. Для предотвра щения ключевого режима с фиксацией состояния последователь но с выходом обычно включается диод. Этот режим может воз пикать при отрицательном напряжении Vz.

2.1г. Подстройка перемножителей

Из соотнощения (2.2) видно, что для обеспечения максимальной точности в схеме перемножителя требуется выполнить четыре самостоятельные регулировки. Для выбора наилучшего способа регулировки имеющихся смещений требуется дополнительно исследовать соотношение

Увих = К{У^ + Фх){Уу + Фу)+Фвх- (2.2)

в данной процедуре подгонки на первом этапе необходимо отрегулировать на нулевое значение выходное смещение Фвых-Для этого на входы X п Y подается нулевое напряжение (закорачивание входов на зе.мляную шину) и с помощью регулировки устанавливается нулевой выходной сигнал. На втором этапе осуществляется регулировка смещения входа У. Для этого на зажим X подается переменный входной сигнал; далее производится регулировка смещения входа У до пропадания выходного сигнала. Аналогичная процедура применяется и для регулировки смещения входа X, а именно закорачивается вход X, подается переменное напряжение на зажим У и проводится регулировка до получения минимального размаха выходного сигнала. Третий этап процедуры регулировки связан с установкой требуемого масштабирующего коэффициента. Его величина обычно норми-



руется при максимальных значениях двух входных сигналов. Однако эту операцию можно осуществлять и при других амплитудах и полярностях входных сигналов с целью оптимизации точности функционирования перемножителя во всем его динамическом диапазоне.

Пример 2.1. Расчет четырехквадрантного перемножителя. Требуется спроектировать схему четырехквадрантного перемножителя со следующими параметрами: динамический диапазон входных сигналов равен ±10 В, а размах выходного сигнала составляет ±10 В при использовании ИС типа XR-2208. Уравнения для определения коэффициента передачи перемножителя и усилителя имеют вид

К

м

(2.19) (2.20)

где Ry 2Rx, а номиналы всех резисторов задаются в килоомах.

Решение. На первом этапе проектирования необходимо ознакомиться со справочными материалами фирмы-изготовителя для конкретно применяемого типа прибора, после этого разрабатывается основная схема (рис. 2.5) и опре-

300 нОм

5 кОм Рее. моэфср: тсштабиро-бамия

ZSkOm Рег. смещения Входа У

-156


Рис. 2.5. Включение = VxVylW.

-15В XR 2208

2W иОм Y Рег. смещения на выссоо 100 кОм

Л} и 1

для реализации умножения, вых =

деляется постоянная коэффициента передачи перемножителя. Для выбранного типа прибора постоянная коэффициента передачи равна произведению постоянной коэффициента передачи перемножителя и коэффициента передачи усилителя и определяется следующим образом:



Когда в вышеприведенное уравнение подставляются максимальные значения входных и выходных напряжений, желательно иметь K = 0,1. На следующем этапе требуется определить реальные номиналы элементов схемы, требуемые для установки постоянной коэффициента передачи. При этом коэффициент передачи обычно устанавливается несколько ниже 0,1, а затем точно настраивается с помощью регулирующего масштабирующий коэффициент резистора. Далее требуемые значения коэффициентов Км и Ка подставляются в уравнения (2.19) и (2.20), по которым и рассчитываются номиналы резисторов. Пусть Rx = 30 кОм, Км 0,01 и Ка Ю, тогда Ry = 62 кОм, Rf = = 300 кОм, Ri = 24 кОм.

Затем рассчитанная схема макетируется и подстраивается следующим образом:

1. Подключить оба входа к О В и, используя регулировку выходного смещения, установить его равным О В.

2. Подать напряжение двойной амплитуды 20 В и частотой 50 Гц на вход X и О В на вход Y. Подстроить смещение входа Y с помощью регулировки минимального размаха выходного сигнала.

3. Подать напряжение двойной амплитуды 20 В на вход У и О В на вход X. Подстроить смещение входа X с помощью регулировки минимального раз-иаха выходного сигнала.

4. Повторить этап 1.

5. Подать напряжение +10 В на оба входа и отрегулировать масштабирующий коэффициент для обеспечения Уеы.ч = +10 В. Этот этап можно повторить и с -другими значениями амплитуд и полярностей входных напряжений, что позволяет оптимизировать точность функционирования перемножителя во всем диапазоне входных напряжений либо в определенной его части.

Необходимо отметить, что с помощью простого объединения входов X и У между собой приведенную на рис. 2.5 схему можно легко преобразовать для реализации функции возведения в квадрат или удвоения частоты. В приведенной структуре реализация функции возведения в квадрат достаточно очевидна, а для понимания принципа удвоения частоты необходимо рассмотреть следующее тригонометрическое тождество:

со5Лсо5В = [со5(Л + В)-4-со5(Л-Б)]/2. (2.22)

Следовательно, когда объединяются два входных сигнала и А= В, выходной сигнал состоит из компоненты удвоенной частоты и постоянного тока.

Пример 2.2. Расчет ваттметра на основе перемножителя. Требуется спроектировать ваттметр для измерения мощности громкоговорителя на 8 Ом. Предположим, что усилитель имеет пиковую мощность выходного сигнала 100 Вт, а перемножитель характеризуется фиксированной постоянной коэффициента передачи 0,1 и имеет динамический диапазон входного сигнала ±10 В.

Решение. Структурная схема данного ваттметра приведена на рис. 2.5. Его функция заключается в перемножении напряжения на нагрузке и тока через нее. Для измерения тока через нагрузку используется резистор-датчик Rs, номинал которого выбран намного меньше, чем Rl. Следовательно, падение напряжения и рассеиваемая мощность на резисторе Rs пренебрежимо малы. На первом этапе реализации этой схемы необходимо промасштабиро-вать входные сигналы, г. е. привести их значения в соответствие с динами-



1 ... 4 5 6 7 8 9 10 ... 43

Яндекс.Метрика