11.6: ПРОГРАМИ, ЩО ВКЛЮЧАЮТЬ ПЕРЕМИКАННЯ АНАЛОГОВИХ СИГНАЛІВ

Системи, що поєднують операційні підсилювачі з аналоговими комутаторами, додають потужного виміру можливості обробки даних лише підсилювачів. Комутатори часто використовуються для управління аналоговими операціями з цифровими командними сигналами, а результуючі гібридні (аналого-цифрові) схеми, такі як аналого-цифрові перетворювачі, використовуються в безлічі додатків. Хоча детальне обговорення цих передових методів виходить за рамки цієї книги, в цьому розділі представлено кілька простих прикладів з'єднань, включаючи аналогові комутації.

Або перехідні ворота або польові транзистори Mos часто використовуються для перемикання сигналу низького рівня. Однією з переваг польового транзистора як аналогового вимикача є те, що він не має властивого зміщення напруги. Характеристики стоку до джерела транзистора у включеному стані є лінійними та резистивними для малих канальних струмів, а напруга стоку до джерела дорівнює нулю для нульового струму каналу. Друга перевага полягає в тому, що струм витоку каналу затиснутого FET, як правило, знаходиться під кімнатною\(1\ nA\) температурою. Цей рівень незначний у багатьох операційно-підсилювальних з'єднаннях.

Є кілька інтегральних схем, які поєднують FET'S із схемою приводу для інтерфейсу перемикача на рівні цифрового сигналу. Крім того, дискретно-компонентні схеми можуть бути розроблені для використання переваг нижчих опорів у стані, загальнодоступних з дискретних польових транзисторів.

Друга можливість - використання в якості перемикача біполярного транзистора. Поточна пропускна здатність біполярних пристроїв, як правило, вища, ніж у FET. Однак існує напруга зсуву колектора до основи, яка може бути як

високо, як кілька сотень мілівольт. (Один із способів зменшити напругу зміщення біполярного транзистора полягає у використанні його в перевернутому або зворотному режимі з поміняними ролями емітера і колектора, і в цьому зв'язку можливі зміщення напруги частки мілівольт. Причина нижнього зміщення в інвертованому режимі полягає в тому, що напруга колектора до емітера насиченого транзистора, за відсутності омічних крапель,\[V_{\text{offset}} = \dfrac{kT}{q} \ln \dfrac{1}{\alpha}\nonumber \] зворотне посилення струму загальної бази\(\alpha_R\) використовується для визначення зміщення вперед області, в той час як пряме посилення\(\alpha_F\) використовується для визначити перевернуту напругу зміщення. Оскільки\(\alpha_F\), як правило, близький до одного, інвертовані напруги зміщення можуть бути досить невеликими. На жаль, посилення струму і пробивні напруги зазвичай обмежені в перевернутому з'єднанні. Отже, оскільки характеристики FET покращилися, ці пристрої значною мірою замінили інвертовані біполярні транзистори як перемикачі низького рівня.) Деякі високострумові методи комутації організовують зворотний зв'язок для усунення ефектів зміщення напруги.

Малюнок 11.30 Закритий операційний підсилювач.

Третій тип вимикачів поєднує в собі функції комутації і посилення в одній схемі. На малюнку 11.30 показано можливе підключення. З\(V_G\) негативом підсилювач є прикладом простої двоступеневої топології, описаної в розділі 8.2.3. Якщо напруга\(V_G\) перемикається на позитивний потенціал, то всі три транзистора і діод стають зворотним зміщенням, і таким чином обидва входи і вихід є розімкнутими ланцюгами. Функція затворів може зберігатися в конструкціях, які розширюють просту конфігурацію, показану на малюнку 11.30, в повний операційний підсилювач. Існує кілька інтегральних прикладів такого типу конструкції (див. Розділ 10.4.2).

Малюнок 11.31 Інвертуючий мультиплексор.

Одним з частих застосувань для аналогового перемикання є мультиплексування ряду сигналів. Необхідна схема може бути реалізована за допомогою польових транзисторів для перемикання сигналу, що подається на вхід неінвертирующего буферного підсилювача. Інша топологія (див. Рис. 11.31) призводить до інвертуючого мультиплексора. Перевага такої конфігурації полягає в тому, що схема приводу може бути простіше, ніж у випадку з неінвертирующим з'єднанням. Нагадаємо, що для перехідного транзистора необхідно зробити потенціал затвора приблизно рівним потенціалу каналу для включення транзистора. Якщо використовується неінвертирующее з'єднання, канал на транзисторі буде перебувати на потенціалі обраного входу. Крім того, один кінець каналу всіх інших комутаторів також буде знаходитися на потенціалі обраного входу. Ці невизначені рівні ускладнюють вимоги до схеми приводу.

У інвертуючої топології канал на транзисторі буде близько до землі, а діоди, показані на малюнку 11.31, гарантують, що стік вимкненого транзистора не буде значно негативнішим, ніж земля. Таким чином вимикач включається шляхом заземлення свого затвора, і вимикається, роблячи його затвор більш негативним, ніж напруга защемлення. Приклад загальнобазового перемикача рівня, який перетворює\(T^2L\) логічні сигнали на необхідні рівні приводу воріт, описаний у розділі 12.3.3.

Компенсуючий транзистор вибирається таким чином, щоб мати опір на відповідність опору перемикачів. Цей пристрій зберігає коефіцієнт посилення мультиплексора рівним -1, як при зміні опору з температурою.

Малюнок 11.32 Підсилювач діапазону посилення.

Існують різні програми, для яких потрібен підсилювач з можливістю вибору коефіцієнта посилення із замкнутим контуром. Одна топологія для цього типу підсилювача діапазону посилення показана на малюнку 11.32. При закритому вимикачі ① та відкритому перемикачі ② ідеальне посилення із замкнутим контуром є одне, тоді як зворотний стан двох перемикачів змінює ідеальне посилення на\((R_1 + R_2)/R_1\). Опір включення перемикачів відносно неважливо, оскільки через перемикач в цьому зв'язку протікає тільки низький вхідний струм операційного підсилювача.

Малюнок 11.33 Підсилювач, який забезпечує посилення\(\pm 1\).

Пов'язана функція ланцюга - це підсилювач, який забезпечує вибір можливого посилення плюс-мінус один. Одне використання для такого типу схеми є модулятори квадратної хвилі або демодулятори. Малюнок 11.33 ілюструє можливе з'єднання. Припустимо спочатку вимикач ② не включений в ланцюг. При закритому перемикачі ① підсилювач забезпечує ідеальне посилення замкнутого контуру -1. При розімкнутому перемикачі ① напруга\(v_A = v_I\), і, таким чином, схема забезпечує ідеальний коефіцієнт посилення +1.

Перемикач ② може бути включений для зменшення впливу опору перемикача на стан. Припустімо, наприклад, що конструктивні міркування диктують значення для\(R_1\) рівних\(10^3\) разів опір у стані перемикача. Якщо використовується лише перемикач ①, похибка посилення із замкнутим контуром 0,2% виникає від цього опору при закритому вимикачі. Якщо обидва вимикача включені і закриті, то напруга\(v_A\) знижується в рази\(2.5 \times 10^5\) щодо\(v_I\) з-за одержуваних двох ступенів загасання. Це загасання знижує похибку від проходу до незначного рівня.

Малюнок 11.34 Схема вибірки та утримання.

Існує ряд топологій, які поєднують операційні підсилювачі з комутаторами для формування схеми вибірки та утримання. На малюнку 11.34 показана одна можливість. Коли FET проводить, петля приводить\(v_O\) напругу до значення\(v_I\). Додаткова пара емітер-послідовник підсилює обмежений струм, доступний з комбінації операційного підсилювача та FET, так що великі струми можуть подаватися на конденсатор, щоб швидко зарядити його. Резистивний шлях між базами та випромінювачами пари послідовників усуває мертву зону, що призведе до близької рівноваги, якби використовувалися одні транзистори. Хоча посилення першого операційного підсилювача гарантує, що така мертва зона не вплине на статичні характеристики, це може погіршити стабільність.

Коли перемикач відкривається, струм в конденсатор обмежується вхідним струмом буферного підсилювача та струмом витоку перемикача та емітера-послідовника. Резистор база-емітер запобігає посиленню струмів витоку в цьому стані. Так як сумарний струм конденсатора в режимі утримання може утримуватися невеликим, утримувана напруга підтримує потрібну величину протягом тривалих періодів.

Зверніть увагу, що польовий транзистор може бути використаний як буфер, як це було зроблено в піковому детекторі, описаному в розділі 11.5.2, оскільки високий коефіцієнт посилення розімкнутого контуру першого підсилювача призведе напругу конденсатора до необхідного значення\(v_O = v_I\). Однак вихідний опір вище в режимі утримання, якщо використовується буфер FET, оскільки зворотний зв'язок недоступний для зменшення вихідного опору в режимі утримання.

ПРОБЛЕМИ

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Малюнок 11.35 (\(a\)) Випробувальна схема. (\(b\)) Модель. (\(c\)) Підключення підсилювача.

Наступні результати виходять для вимірювань, проведених за допомогою схеми, наведеної на малюнку 11.35\(a\).

1. З вимикачем ① відкритий і вимикач ② закритий,\(V_O = 12\ mV\).
2. З вимикачем ① закритий і вимикач ② закритий,\(V_O = 32\ mV\).
3. З вимикачем ① закритим і вимикачем ② відкритим,\(V_O = 10\ mV\).

Визначте значення для трьох генераторів зміщення, показаних на малюнку 11.35\(b\). У цьому поданні зовнішні генератори моделюють всі ефекти напруги зміщення та cur rent таким чином, що вхідні струми та диференціальна вхідна напруга на клемах підсилювача, показаного в моделі, дорівнюють нулю.

Підключення підсилювача здійснюється так, як показано на малюнку 11.35\(c\). Експрес\(v_O\) в перерахунку\(v_I\) і параметри підсилювача показані на малюнку 11.35\(b\).

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Схема, показана на малюнку 11.2,\(a\) використовується для вимірювання вхідної напруги зміщення операційного підсилювача з коефіцієнтом посилення напруги розімкнутого контуру d-c\(10^4\). Яку похибку обмежений цикл передачі вносить в вимірювання зсуву для цих значень параметрів?

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Певний операційний підсилювач вказано, щоб мати максимальну величину вхідної напруги зміщення\(5\ mV\). Підсилювач підключається як інвертор одиничного посилення за допомогою двох\(2-M\Omega\) резисторів. Неинвертирующий вхід підключається безпосередньо до землі. Вимірювання показують, що вихідна напруга знаходиться\(+50\ mV\) з нульовим вхідною напругою в цьому зв'язку. Розглянутий підсилювач має положення про зниження вхідної напруги зміщення при одній температурі до нуля за допомогою відповідним чином підключеного зовнішнього потенціометра, який ефективно змінює величину джерел струму, що навантажують транзистори вхідного каскаду підсилювача. Встановлено, що за допомогою екстремального налаштування балансу можна зробити вихідну напругу інвертора нульовим для нульової вхідної напруги. Обговоріть можливі недоліки такого способу регулювання. Запропонуйте альтернативи, які, ймовірно, дадуть чудову продуктивність.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Малюнок 11.36 Операційний підсилювач.

Спрощена схема для інтегральної схеми операційного підсилювача показана на малюнку 11.36. Ретельні вимірювання посилення розімкнутого контуру вказують на посилення 300,000 при 1 кГц для некомпенсованого підсилювача і що перший полюс у функції передачі підсилювача вище цієї частоти. При відсутності навантаження нагрів, що припадає на транзистор,\(Q_3\) і його струмо-джерело навантаження підвищують температуру\(Q_2\ 0.1^{\circ} C\) вище температури\(Q_1\) при статичних умовах з виходом при негативному рівні насичення -13 вольт. Аналогічно, з виходом на його позитивному рівні насичення (+ 13 вольт) температура транзистора\(Q_1\) в кінцевому підсумку підвищується\(0.1^{\circ} C\) вище температури\(Q_2\). Побудуйте\(v_I\) характеристики\(v_O\) проти, які призводять до дуже повільних варіацій\(v_I\). Тепер припустимо, що чіп розташування транзисторів\(Q_1\) і\(Q_2\) поміняні місцями. Знову сюжет\(v_O\) проти\(v_I\) характеристик. Обговоріть, як ці результати можуть ускладнити вимірювання низькочастотного посилення розімкнутого контуру.

Вправа\(\PageIndex{5}\)

Операційні підсилювачі з інтегрованою схемою, які використовують вхідний каскад, подібний до LM101A (див. Розділ 10.4.1), як правило, мають високий максимальний показник диференціальної вхідної напруги. Поясніть, чому диференціальні вхідні напруги приблизно 30 вольт можливі на цьому етапі порівняно з максимальним рівнем 6-вольт, зазвичай вказаним для звичайного диференціального підсилювача.

Вправа\(\PageIndex{6}\)

Малюнок 11.37 Модель операційного підсилювача, підключеного до датчика іонізації.

Операційний підсилювач низького вхідного струму має функцію передачі з відкритим контуром.

\[a(s) = \dfrac{10^6}{(s + 1)(10^{-5} s + 1)}\nonumber \]

Цей підсилювач підключений для контролю вихідного струму від датчика іонізації. Отриману схему можна змоделювати так, як показано на малюнку 11.37. Ємність, показана на вході підсилювача, включає, крім ємності самого підсилювача, ємність датчика та екранованого кабелю, що використовується для підключення датчика до підсилювача. Дослідіть стійкість цього контуру. Запропонуйте метод підвищення стабільності.

Вправа\(\PageIndex{7}\)

Малюнок 11.38 Підключення неінвертирующего підсилювача.

Підключений операційний підсилювач з високим коефіцієнтом посилення розімкнутого контуру d-c і потужністю\(100-mA\) вихідного струму, як показано на малюнку 11.38. Низькочастотні вимірювання вказують на поступове посилення\(v_o/v_i = 1100\). Поясніть.

Вправа\(\PageIndex{8}\)

Малюнок 11.39 Конденсатор з діелектричним поглинанням

Вимірювання показують, що діелектричне поглинання, пов'язане з певним\(1-\mu F\) конденсатором, може бути змодельовано, як показано на малюнку 11.39. Спроектуйте схему, яка поєднує цей конденсатор з ідеальним операційним підсилювачем та будь-якими необхідними пасивними компонентами, такими, що функція передачі замкнутого циклу є\(-1/s\).

Вправа\(\PageIndex{9}\)

Диференціальне з'єднання, як показано на малюнку 11.10, будується з\(Z_1 = Z_3 = 1\ k\Omega\) і\(Z_2 = Z_4 = 10\ k\Omega\). Операційний підсилювач має дуже високий коефіцієнт посилення розімкнутого контуру d-c та коефіцієнт відхилення синфазного режиму\(10^4\). Припускаючи, що всі інші характеристики операційного підсилювача є ідеальними, яка вихідна напруга призводить з обома входами, рівними одному вольту? Запропонуйте модифікацію, яка підвищує коефіцієнт відхилення синфазного з'єднання.

Вправа\(\PageIndex{10}\)

Операційний підсилювач з d-c коефіцієнтом посилення розімкнутого контуру\(10^5\) підключається як джерело струму з топологією, показаною на малюнку 11.14. Значення резистора дорівнює\(R = 10\ k\Omega\). При вхідній напрузі +5 вольт параметри FET бувають\(y_{fs} = 1\text{ mmho}\) і\(y_{os} = 5 \ \mu \text{mho}\). (Див. Рис. 8.19 для визначення термінів.) Що таке додаткове вихідне опір цього з'єднання?

Вправа\(\PageIndex{11}\)

Малюнок 11.40 Джерело диференціального струму.

Джерело струму Howland побудовано, як показано на малюнку 11.40. Визначте струм\(I_o\) як функцію\(V_a, V_b, V_o\), і\(\alpha\). Припустимо, що напруга зміщення, що відноситься до входу підсилювача, є\(5\ mV\) і що операційний підсилювач насичує на рівні вихідної напруги\(\pm 10\) вольт. Виберіть параметр a, щоб максимізувати вихідний струм, доступний при нульовій вихідній напрузі з урахуванням обмеження, що\(|i_O| < 5\ \mu A\) з\(v_A = v_B = 0\).

Вправа\(\PageIndex{12}\)

Спроектуйте схему, використовуючи відсутність індукторів, що забезпечує точку руху в pedance\(Z = -1\ k\Omega + 10^{-2}s\).

Вправа\(\PageIndex{13}\)

Для компенсації сервомеханізму потрібна нелінійна лаг-мережа. (Див. Розділ 6.3.5 для обговорення цього типу мереж.) У мережі повинна бути функція передачі.

\[\dfrac{V_o(s)}{V_i (s)} = \dfrac{0.02s + 1}{s + 1}\nonumber \]

для малих рівнів вхідного сигналу. Коли величина напруги на конденсаторі перевищує 0,1 вольт, напруга конденсатора слід затиснути, щоб запобігти подальшому зростанню. Таким чином, будуть наближатися характеристики передачі великого сигналу\(v_O/v_I \simeq 0.02\), незалежно від частоти.

Спроектуйте необхідну мережу, використовуючи конденсатор розміром не більше\(5\ \mu F\). Забезпечте буферизацію, щоб підсилювач потужності з\(1-k\Omega\) вхідним опором не навантажував мережу помітно. Рівень обмеження напруги конденсатора для вашої конструкції повинен бути відносно незалежним від температури.

Вправа\(\PageIndex{14}\)

Малюнок 11.41 Нелінійні характеристики передачі.

Спроектувати схему, що забезпечує характеристики передачі, наведені на малюнку 11.41. Використовуйте конфігурацію, яка робить місця зупинки чітко визначеними та відносно незалежними від температури. Виберіть значення резистора так, щоб вхідні струми зміщення операційного підсилювача\(100\ nA\) не суттєво впливали на продуктивність і так що навантаження, що застосовуються до виходів використовуваних підсилювачів, були меншими\(1\ mA\) для будь-яких\(|v_I| < 15\text{ volts}\).

Вправа\(\PageIndex{15}\)

Спроектуйте схему, яка забезпечує вихід

\[v_O = \dfrac{\sqrt{v_X v_Y^3}}{10 \text{ volts}} \nonumber \]

Ви можете припустити, що обидва\(v_X\) і\(v_Y\) обмежені діапазоном від 0 до\(-10\text{ volts}\). Припустимо, що будь-які використовувані операційні підсилювачі можуть забезпечити неспотворені виходи\(\pm 10\text{ volts}\). Ви повинні спроектувати схему так, щоб різні рівні напруги були близькі до максимальних значень для максимальних рівнів вхідного сигналу, щоб поліпшити динамічний діапазон. Прокоментуйте температурну стабільність вашої конструкції.

Вправа\(\PageIndex{16}\)

Схема вибірки і утримання будується з використанням топології, показаної на малюнку 11.34. Функція передачі розімкнутого контуру першого операційного підсилювача є

\[a(s) = \dfrac{10^5}{(0.01s + 1)(5 \times 10^{-8} s + 1)^2}\nonumber \]

а в якості вихідного буфера використовується підсилювач LM 110 із смугою пропускання замкнутого циклу понад 20 МГц. Сума транзисторів по опору і резистора, шунтирующего струмопідсилювальні транзистори\(1\ k\Omega\), дорівнює, а значення конденсатора -\(1\ \mu F\). Дослідити стійкість цієї системи в умовах малосигнальної роботи. Запропонуйте модифікацію схеми, яку можна використовувати для підвищення стабільності. Прокоментуйте ефективність вашого методу в умовах великого сигналу (при проведенні підсилювальних транзисторів), а також для роботи в лінійній області.