Основы интегральных схем

An electronic circuit представляет собой группу электронных компонентов, соединенных с определенной целью.

Простую электронную схему можно легко спроектировать, поскольку для нее требуется несколько дискретных электронных компонентов и соединений. Однако создание сложной электронной схемы затруднено, так как требует большего количества дискретных электронных компонентов и их соединений. Также требуется время для создания таких сложных схем, и их надежность также меньше. Эти трудности можно преодолеть с помощью интегральных схем.

Интегральная схема (IC)

Если несколько электронных компонентов соединены между собой на одной микросхеме из полупроводникового материала, то эта микросхема называется Integrated Circuit (IC). Он состоит как из активных, так и из пассивных компонентов.

В этой главе обсуждаются преимущества и типы ИС.

Преимущества интегральных схем

Интегральные схемы обладают множеством преимуществ. Они обсуждаются ниже -

• Compact size - Для заданной функциональности вы можете получить схему меньшего размера с использованием микросхем по сравнению с схемой, построенной с использованием дискретной схемы.

• Lesser weight- Схема, построенная на ИС, весит меньше по сравнению с весом дискретной схемы, которая используется для реализации той же функции, что и ИС. с использованием ИС, по сравнению с той, что построена с использованием дискретной схемы.

• Low power consumption - ИС потребляют меньше энергии, чем традиционные схемы, из-за их меньшего размера и конструкции.

• Reduced cost - ИС доступны по гораздо более низкой цене, чем дискретные схемы, из-за технологий их изготовления и использования меньшего количества материала, чем дискретные схемы.

• Increased reliability - Поскольку в них используется меньшее количество соединений, ИС предлагают повышенную надежность по сравнению с цифровыми схемами.

• Improved operating speeds - ИС работают с улучшенными скоростями из-за их скоростей переключения и меньшего энергопотребления.

Типы интегральных схем

Интегральные схемы бывают двух типов − Analog Integrated Circuits and Digital Integrated Circuits.

Аналоговые интегральные схемы

Интегральные схемы, работающие во всем диапазоне непрерывных значений амплитуды сигнала, называются Analog Integrated Circuits. Они далее подразделяются на два типа, как обсуждается здесь:

• Linear Integrated Circuits- Аналоговая ИС называется линейной, если существует линейная зависимость между ее напряжением и током. IC 741, 8-контактный операционный усилитель Dual In-Line Package (DIP), является примером линейной ИС.

• Radio Frequency Integrated Circuits- Аналоговая ИС называется нелинейной, если существует нелинейная зависимость между ее напряжением и током. Нелинейная ИС также называется радиочастотной ИС.

Цифровые интегральные схемы

Если интегральные схемы работают только на нескольких заранее определенных уровнях вместо того, чтобы работать для всего диапазона непрерывных значений амплитуды сигнала, то они называются Digital Integrated Circuits.

В следующих главах мы обсудим различные линейные интегральные схемы и их приложения.

Операционный усилитель, также называемый операционным усилителем, представляет собой интегральную схему, которая может использоваться для выполнения различных линейных, нелинейных и математических операций. Операционный усилитель - этоdirect coupled high gain amplifier. Вы можете работать с операционным усилителем как с сигналами переменного, так и с постоянным током. В этой главе обсуждаются характеристики и типы операционных усилителей.

Конструкция операционного усилителя

Операционный усилитель состоит из дифференциального усилителя (ов), преобразователя уровня и выходного каскада. Дифференциальный усилитель присутствует на входном каскаде операционного усилителя и, следовательно, операционный усилитель состоит изtwo input terminals. Один из этих терминалов называетсяinverting terminal а другой называется non-inverting terminal. Клеммы названы в зависимости от фазового соотношения между их соответствующими входами и выходами.

Характеристики операционного усилителя

Важные характеристики или параметры операционного усилителя следующие:

• Коэффициент усиления напряжения разомкнутого контура
• Выходное напряжение смещения
• Коэффициент подавления синфазного сигнала
• Скорость нарастания

В этом разделе подробно обсуждаются эти характеристики, как указано ниже -

Коэффициент усиления напряжения разомкнутого контура

Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи операционного усилителя - это его дифференциальное усиление без какой-либо цепи обратной связи.

Математически усиление напряжения разомкнутого контура операционного усилителя представлено как -

$$A_{v}= \frac{v_0}{v_1-v_2}$$

Выходное напряжение смещения

Напряжение на выходе операционного усилителя, когда его дифференциальное входное напряжение равно нулю, называется output offset voltage.

Коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) операционного усилителя определяется как отношение дифференциального усиления с обратной связью, $A_{d}$ и усиление общего режима, $A_{c}$.

Математически CMRR можно представить как -

$$CMRR=\frac{A_{d}}{A_{c}}$$

Обратите внимание, что коэффициент усиления общего режима, $A_{c}$ операционного усилителя - это отношение выходного напряжения синфазного режима к входному напряжению синфазного режима.

Скорость нарастания

Скорость нарастания операционного усилителя определяется как максимальная скорость изменения выходного напряжения из-за ступенчатого входного напряжения.

Математически скорость нарастания (SR) может быть представлена ​​как -

$$SR=Maximum\:of\:\frac{\text{d}V_{0}}{\text{d}t}$$

Где, $V_{0}$- выходное напряжение. Как правило, скорость нарастания напряжения измеряется либо в$V/\mu\:Sec$ или же $V/m\:Sec$.

Типы операционных усилителей

Операционный усилитель представлен в виде треугольника, имеющего два входа и один выход.

Операционные усилители бывают двух типов: Ideal Op-Amp и Practical Op-Amp.

Они подробно обсуждаются, как указано ниже -

Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель существует только в теории и не существует практически. Вequivalent circuit идеального операционного усилителя показан на рисунке ниже -

An ideal op-amp обладает следующими характеристиками -

• Входное сопротивление $Z_{i}=\infty\Omega$

• Выходное сопротивление $Z_{0}=0\Omega$

• Коэффициент усиления напряжения разомкнутого контура $A_{v}=\infty$

• Если (дифференциальное) входное напряжение $V_{i}=0V$, то выходное напряжение будет $V_{0}=0V$

• Пропускная способность infinity. Это означает, что идеальный операционный усилитель будет усиливать сигналы любой частоты без какого-либо ослабления.

• Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) является infinity.

• Скорость нарастания (SR) является infinity. Это означает, что идеальный операционный усилитель будет производить изменение выходного сигнала мгновенно в ответ на ступенчатое входное напряжение.

Практический операционный усилитель

На практике операционные усилители не идеальны и отклоняются от своих идеальных характеристик из-за некоторых дефектов при изготовлении. Вequivalent circuit Практического операционного усилителя показан на следующем рисунке -

А practical op-amp обладает следующими характеристиками -

• Входное сопротивление, $Z_{i}$ в порядке Mega ohms.

• Выходное сопротивление, $Z_{0}$ в порядке few ohms..

• Коэффициент усиления напряжения разомкнутого контура, $A_{v}$ будет high.

Когда вы выбираете практичный операционный усилитель, вы должны проверить, удовлетворяет ли он следующим условиям:

• Входное сопротивление, $Z_{i}$ должно быть как можно выше.

• Выходное сопротивление, $Z_{0}$ должно быть как можно ниже.

• Коэффициент усиления напряжения разомкнутого контура, $A_{v}$ должно быть как можно выше.

• Выходное напряжение смещения должно быть как можно ниже.

• Рабочая полоса пропускания должна быть как можно большей.

• CMRR должен быть максимально высоким.

• Скорость нарастания должна быть как можно более высокой.

Note - Операционный усилитель IC 741 - самый популярный и практичный операционный усилитель.

Цепь называется linear, если существует линейная зависимость между его входом и выходом. Точно так же цепь называетсяnon-linear, если между его входом и выходом существует нелинейная зависимость.

Операционные усилители могут использоваться как в линейных, так и в нелинейных приложениях. Ниже приведены основные области применения операционного усилителя:

• Инвертирующий усилитель
• Неинвертирующий усилитель
• Повторитель напряжения

В этой главе подробно обсуждаются эти основные приложения.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель принимает входной сигнал через инвертирующий вывод через резистор. $R_{1}$, и производит его усиленную версию на выходе. Этот усилитель не только усиливает входной сигнал, но и инвертирует его (меняет знак).

В circuit diagram инвертирующего усилителя показан на следующем рисунке -

Обратите внимание, что для операционного усилителя напряжение на инвертирующей входной клемме равно напряжению на ее неинвертирующей входной клемме. Физически между этими двумя терминалами нет замыкания, ноvirtually, они в short друг с другом.

В схеме, показанной выше, неинвертирующий входной терминал заземлен. Это означает, что на неинвертирующую входную клемму операционного усилителя подается нулевое напряжение.

Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя будет нулевым вольт.

В nodal equation на этом узле терминала показано ниже -

$$\frac{0-V_i}{R_1}+ \frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$=>\frac{-V_i}{R_1}= \frac{V_0}{R_f}$$

$$=>V_{0}=\left(\frac{-R_f}{R_1}\right)V_{t}$$

$$=>\frac{V_0}{V_i}= \frac{-R_f}{R_1}$$

Соотношение выходного напряжения $V_{0}$ и входное напряжение $V_{i}$- коэффициент усиления по напряжению или коэффициент усиления усилителя. Следовательноgain of inverting amplifier равно $-\frac{R_f}{R_1}$.

Обратите внимание, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя имеет negative sign. Это указывает на то, что существует разность фаз 180 ⁰ между входом и выходом.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель принимает входной сигнал через неинвертирующий вывод и выдает усиленную версию в качестве выхода. Как следует из названия, этот усилитель просто усиливает вход, не инвертируя и не меняя знак выхода.

В circuit diagram неинвертирующего усилителя показан на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме входное напряжение $V_{i}$непосредственно подается на неинвертирующий входной терминал операционного усилителя. Таким образом, напряжение на неинвертирующей входной клемме операционного усилителя будет$V_{i}$.

Используя voltage division principle, мы можем рассчитать напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя, как показано ниже -

$$=>V_{1} = V_{0}\left(\frac{R_1}{R_1+R_f}\right)$$

Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующем входном выводе операционного усилителя такое же, как напряжение на его неинвертирующем входном выводе.

$$=>V_{1} = V_{i}$$

$$=>V_{0}\left(\frac{R_1}{R_1+R_f}\right)=V_{i}$$

$$=>\frac{V_0}{V_i}=\frac{R_1+R_f}{R_1}$$

$$=>\frac{V_0}{V_i}=1+\frac{R_f}{R_1}$$

Теперь соотношение выходного напряжения $V_{0}$ и входное напряжение $V_{i}$ или усиление напряжения или gain of the non-inverting amplifier равно $1+\frac{R_f}{R_1}$.

Обратите внимание, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя имеет positive sign. Это указывает на отсутствие разницы фаз между входом и выходом.

Повторитель напряжения

А voltage followerпредставляет собой электронную схему, которая производит выходной сигнал, соответствующий входному напряжению. Это частный случай неинвертирующего усилителя.

Если принять во внимание номинал резистора обратной связи, $R_{f}$как ноль Ом и (или) номинал резистора, 1 как бесконечность, тогда неинвертирующий усилитель становится повторителем напряжения. Вcircuit diagram повторителя напряжения показан на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме входное напряжение $V_{i}$подается непосредственно на неинвертирующий входной терминал операционного усилителя. Итак, напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя равно$V_{i}$. Здесь выход напрямую подключен к инвертирующей входной клемме операционного усилителя. Следовательно, напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя равно$V_{0}$.

Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя такое же, как напряжение на ее неинвертирующей входной клемме.

$$=>V_{0} = V_{i}$$

Итак, выходное напряжение $V_{0}$ повторителя напряжения равно его входному напряжению $V_{i}$.

Таким образом gain of a voltage follower равно единице, поскольку оба выходных напряжения $V_{0}$ и входное напряжение $V_{i}$ повторителя напряжения такие же.

В предыдущей главе мы обсудили основные применения операционного усилителя. Обратите внимание, что они относятся к линейным операциям операционного усилителя. В этой главе давайте обсудим арифметические схемы, которые также являются линейными приложениями операционного усилителя.

Электронные схемы, выполняющие арифметические операции, называются arithmetic circuits. Используя операционные усилители, вы можете создавать простые арифметические схемы, такие какadder и subtractor. В этой главе вы подробно узнаете о каждом из них.

Сумматор

Сумматор - это электронная схема, которая выдает выходной сигнал, равный сумме приложенных входов. В этом разделе обсуждается схема сумматора на базе операционного усилителя.

Сумматор на базе операционного усилителя выдает выходной сигнал, равный сумме входных напряжений, приложенных к его инвертирующему выводу. Его также называютsumming amplifier, так как выход - усиленный.

В circuit diagram сумматора на базе операционного усилителя показан на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме неинвертирующий входной терминал операционного усилителя подключен к земле. Это означает, что на его неинвертирующую входную клемму подается нулевое напряжение.

Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующем входном выводе операционного усилителя такое же, как напряжение на его неинвертирующем входном выводе. Таким образом, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя будет нулевым вольт.

В nodal equation в узле инвертирующего входа клеммы

$$\frac{0-V_1}{R_1}+\frac{0-V_2}{R_2}+\frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$=>\frac{V_1}{R_1}-\frac{V_2}{R_2}=\frac{V_0}{R_f}$$

$$=>V_{0}=R_{f}\left(\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2}\right)$$

Если $R_{f}=R_{1}=R_{2}=R$, то выходное напряжение $V_{0}$ будет -

$$V_{0}=-R{}\left(\frac{V_1}{R}+\frac{V_2}{R}\right)$$

$$=>V_{0}=-(V_{1}+V_{2})$$

Следовательно, схема сумматора на базе ОУ, описанная выше, будет формировать сумму двух входных напряжений. $v_{1}$ и $v_{1}$, как выход, когда все резисторы, присутствующие в цепи, одного номинала. Обратите внимание, что выходное напряжение$V_{0}$ схемы сумматора имеет negative sign, что указывает на наличие разности фаз 180 ⁰ между входом и выходом.

Вычитатель

Вычитатель - это электронная схема, которая производит выходной сигнал, равный разности приложенных входов. В этом разделе обсуждается схема вычитателя на базе ОУ.

Вычитатель на базе операционного усилителя выдает выходной сигнал, равный разнице входных напряжений, приложенных к его инвертирующим и неинвертирующим выводам. Его также называютdifference amplifier, так как выход - усиленный.

В circuit diagram вычитателя на базе ОУ показан на следующем рисунке -

Теперь найдем выражение для выходного напряжения $V_{0}$ схемы выше, используя superposition theorem используя следующие шаги -

Шаг 1

Для начала рассчитаем выходное напряжение $V_{01}$ рассматривая только $V_{1}$.

Для этого исключите $V_{2}$путем короткого замыкания. Тогда получаемmodified circuit diagram как показано на следующем рисунке -

Теперь, используя voltage division principle, рассчитайте напряжение на неинвертирующей входной клемме операционного усилителя.

$$=>V_{p}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)$$

Теперь приведенная выше схема выглядит как неинвертирующий усилитель с входным напряжением $V_{p}$. Следовательно, выходное напряжение$V_{01}$ вышеуказанной схемы будет

$$V_{01}=V_{p}\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$$

Заменить, значение $V_{p}$ в приведенном выше уравнении мы получаем выходное напряжение $V_{01}$ рассматривая только $V_{1}$, как -

$$V_{01}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$$

Шаг 2

На этом этапе давайте найдем выходное напряжение, $V_{02}$ рассматривая только $V_{2}$. Как и в предыдущем шаге, удалите$V_{1}$путем короткого замыкания. Вmodified circuit diagram показано на следующем рисунке.

Вы можете заметить, что напряжение на неинвертирующей входной клемме операционного усилителя будет равно нулю вольт. Это означает, что приведенная выше схема - это простоinverting op-amp. Следовательно, выходное напряжение$V_{02}$ приведенной выше схемы будет -

$$V_{02}=\left(-\frac{R_f}{R_1}\right)V_{2}$$

Шаг 3

На этом шаге мы получим выходное напряжение $V_{0}$ схемы вычитателя на adding the output voltagesполученные на Шагах 1 и 2. Математически это можно записать как

$$V_{0}=V_{01}+V_{02}$$

Подставляя значения $V_{01}$ и $V_{02}$ в приведенном выше уравнении мы получаем -

$$V_{0}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)+\left(-\frac{R_f}{R_1}\right)V_{2}$$

$$=>V_{0}=V_{1}\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)-\left(\frac{R_f}{R_1}\right)V_{2}$$

Если $R_{f}=R_{1}=R_{2}=R_{3}=R$, то выходное напряжение $V_{0}$ будет

$$V_{0}=V_{1}\left(\frac{R}{R+R}\right)\left(1+\frac{R}{R}\right)-\left(\frac{R}{R}\right)V_{2}$$

$$=>V_{0}=V_{1}\left(\frac{R}{2R}\right)(2)-(1)V_{2}$$

$$V_{0}=V_{1}-V_{2}$$

Таким образом, схема вычитателя на базе ОУ, описанная выше, будет давать выходной сигнал, который представляет собой разность двух входных напряжений. $V_{1}$ и $V_{2}$, когда все резисторы, присутствующие в цепи, имеют одинаковый номинал.

Электронные схемы, которые выполняют математические операции, такие как дифференцирование и интегрирование, называются дифференциатором и интегратором соответственно.

В этой главе подробно рассматриваются операционные усилители differentiatorи интегратор. Обратите внимание, что они также относятся к линейным приложениям операционных усилителей.

Дифференциатор

А differentiatorпредставляет собой электронную схему, которая выдает выходной сигнал, равный первой производной входного сигнала. В этом разделе подробно обсуждается дифференциатор на базе операционного усилителя.

Дифференциатор на базе операционного усилителя выдает выходной сигнал, равный разности входного напряжения, приложенного к его инвертирующему выводу. Вcircuit diagram дифференциатора на базе ОУ показан на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме неинвертирующий входной терминал операционного усилителя подключен к земле. Это означает, что на его неинвертирующую входную клемму подается нулевое напряжение.

Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя будет равно напряжению на ее неинвертирующей входной клемме. Таким образом, напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя будет нулевым вольт.

Узловое уравнение в узле инвертирующего входного терминала -

$$C\frac{\text{d}(0-V_{i})}{\text{d}t}+\frac{0-V_0}{R}=0$$

$$=>-C\frac{\text{d}V_{i}}{\text{d}t}=\frac{V_0}{R}$$

$$=>V_{0}=-RC\frac{\text{d}V_{i}}{\text{d}t}$$

Если $RC=1\sec$, то выходное напряжение $V_{0}$ будет -

$$V_{0}=-\frac{\text{d}V_{i}}{\text{d}t}$$

Таким образом, схема дифференциатора на основе ОУ, показанная выше, будет производить выходной сигнал, который является дифференциалом входного напряжения. $V_{i}$, когда величины импедансов резистора и конденсатора обратны друг другу.

Обратите внимание, что выходное напряжение $V_{0}$ имеет negative sign, что указывает на наличие разности фаз 180 ⁰ между входом и выходом.

Интегратор

An integratorпредставляет собой электронную схему, которая производит вывод, который является интеграцией приложенного ввода. В этом разделе обсуждается интегратор на базе операционного усилителя.

Интегратор на базе операционного усилителя выдает выходной сигнал, который представляет собой интеграл входного напряжения, приложенного к его инвертирующему выводу. Вcircuit diagram интегратора на основе ОУ показан на следующем рисунке -

В схеме, показанной выше, неинвертирующий входной терминал операционного усилителя подключен к земле. Это означает, что на его неинвертирующую входную клемму подается нулевое напряжение.

В соответствии с virtual short concept, напряжение на инвертирующем входном выводе операционного усилителя будет равно напряжению, присутствующему на его неинвертирующем входном выводе. Таким образом, напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя будет нулевым вольт.

В nodal equation на инвертирующем входном терминале -

$$\frac{0-V_i}{R}+C\frac{\text{d}(0-V_{0})}{\text{d}t}=0$$

$$=>\frac{-V_i}{R}=C\frac{\text{d}V_{0}}{\text{d}t}$$

$$=>\frac{\text{d}V_{0}}{\text{d}t}=-\frac{V_i}{RC}$$

$$=>{d}V_{0}=\left(-\frac{V_i}{RC}\right){\text{d}t}$$

Интегрируя обе части уравнения, показанного выше, мы получаем -

$$\int{d}V_{0}=\int\left(-\frac{V_i}{RC}\right){\text{d}t}$$

$$=>V_{0}=-\frac{1}{RC}\int V_{t}{\text{d}t}$$

Если $RC=1\sec$, то выходное напряжение, $V_{0}$ будет -

$$V_{0}=-\int V_{i}{\text{d}t}$$

Таким образом, схема интегратора на базе ОУ, рассмотренная выше, будет давать выходной сигнал, который является интегралом входного напряжения $V_{i}$, когда величины импедансов резистора и конденсатора обратны друг другу.

Note - выходное напряжение, $V_{0}$ имеет negative sign, что указывает на наличие разности фаз 180 ⁰ между входом и выходом.

Напряжение и ток - основные электрические величины. Они могут быть преобразованы друг в друга в зависимости от требований.Voltage to Current Converter и ток Voltage Converterдве схемы, которые помогают в таком преобразовании. Это также линейные применения операционных усилителей. В этой главе они рассматриваются подробно.

Преобразователь напряжения в ток

А voltage to current converter или же V to I converter, представляет собой электронную схему, которая принимает ток на входе и выдает напряжение на выходе. В этом разделе обсуждается преобразователь напряжения в ток на базе операционного усилителя.

Преобразователь напряжения в ток на базе операционного усилителя создает выходной ток, когда напряжение подается на его неинвертирующий вывод. Вcircuit diagram преобразователя напряжения в ток на базе операционного усилителя показан на следующем рисунке.

В схеме, показанной выше, входное напряжение $V_{i}$подается на неинвертирующий входной терминал операционного усилителя. Согласноvirtual short concept, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя будет равно напряжению на ее неинвертирующей входной клемме. Таким образом, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя будет$V_{i}$.

В nodal equation в узле инвертирующего входного терминала -

$$\frac{V_i}{R_1}-I_{0}=0$$

$$=>I_{0}=\frac{V_t}{R_1}$$

Таким образом output current $I_{0}$ преобразователя напряжения в ток - это отношение его входного напряжения $V_{i}$ и сопротивление $R_{1}$.

Мы можем переписать приведенное выше уравнение как -

$$\frac{I_0}{V_i}=\frac{1}{R_1}$$

Вышеприведенное уравнение представляет собой отношение выходного тока $I_{0}$ и входное напряжение $V_{i}$ и он равен обратной величине сопротивления $R_{1}$ Соотношение выходного тока $I_{0}$ и входное напряжение $V_{i}$ называется как Transconductance.

Мы знаем, что соотношение выхода и входа схемы называется усилением. Таким образом, коэффициент усиления преобразователя напряжения в ток - это крутизна, и она равна обратной величине сопротивления.$R_{1}$.

Преобразователь тока в напряжение

А current to voltage converter или же I to V converterпредставляет собой электронную схему, которая принимает ток на входе и выдает напряжение на выходе. В этом разделе обсуждается преобразователь тока в напряжение на основе операционного усилителя.

Преобразователь тока в напряжение на базе операционного усилителя выдает выходное напряжение, когда ток подается на его инвертирующий вывод. Вcircuit diagram преобразователя тока в напряжение на базе операционного усилителя показан на следующем рисунке.

В схеме, показанной выше, неинвертирующий входной терминал операционного усилителя подключен к земле. Это означает, что на его неинвертирующую входную клемму подается нулевое напряжение.

Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя будет равно напряжению на ее неинвертирующей входной клемме. Таким образом, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя будет нулевым вольт.

В nodal equation в узле инвертирующего терминала -

$$-I_{i}+\frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$-I_{i}=\frac{V_0}{R_f}$$

$$V_{0}=-R_{t}I_{i}$$

Таким образом output voltage, $V_{0}$ преобразователя тока в напряжение является (отрицательным) произведением сопротивления обратной связи, $R_{f}$ и входной ток, $I_{t}$. Обратите внимание, что выходное напряжение,$V_{0}$ имеет negative sign, что указывает на наличие разности фаз 180 ⁰ между входным током и выходным напряжением.

Мы можем переписать приведенное выше уравнение как -

$$\frac{V_0}{I_i}=-R_{f}$$

Вышеприведенное уравнение представляет отношение выходного напряжения $V_{0}$ и входной ток $I_{i}$, и он равен отрицательному сопротивлению обратной связи, $R_{f}$. Соотношение выходного напряжения$V_{0}$ и входной ток $I_{i}$ называется как Transresistance.

Мы знаем, что соотношение выхода и входа схемы называется gain. Таким образом, коэффициент усиления преобразователя тока в напряжение - это его транс-сопротивление, равное (отрицательному) сопротивлению обратной связи.$R_{f}$ .

А comparatorпредставляет собой электронную схему, которая сравнивает два входа, которые применяются к ней, и выдает выходной сигнал. Выходное значение компаратора указывает, какой из входов больше или меньше. Обратите внимание, что компаратор относится к нелинейным приложениям ИС.

Операционный усилитель состоит из двух входных клемм, и, следовательно, компаратор на основе операционного усилителя сравнивает два входа, которые применяются к нему, и выдает результат сравнения в качестве выхода. В этой главе обсуждаетсяop-amp based comparators.

Типы компараторов

Компараторы бывают двух типов: Inverting и Non-inverting. В этом разделе подробно рассматриваются эти два типа.

Инвертирующий компаратор

An inverting comparatorэто на основе компаратора ОУ, для которого опорное напряжение подается на его неинвертирующий терминал и входное напряжение подается на его инвертирующем терминале. Этот компаратор называетсяinverting компаратор, потому что входное напряжение, которое необходимо сравнить, подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.

В circuit diagram инвертирующего компаратора показан на следующем рисунке.

В operationинвертирующего компаратора очень просто. Он производит одно из двух значений:$+V_{sat}$ и $-V_{sat}$ на выходе исходя из значений его входного напряжения $V_{i}$ и опорное напряжение $V_{ref}$.

• Выходное значение инвертирующего компаратора будет $-V_{sat}$, для которого вход $V_{i}$ напряжение больше, чем опорное напряжение $V_{ref}$.

• Выходное значение инвертирующего компаратора будет $+V_{sat}$, для которого вход $V_{i}$ меньше, чем опорное напряжение $V_{ref}$.

пример

Нарисуем output wave form из инвертирующего компаратора, когда синусоидальный входной сигнал и опорное напряжение нуля вольт применяются к его инвертирующим и неинвертирующим терминалам соответственно.

В operation инвертирующего компаратора, показанного выше, обсуждается ниже -

• В течение positive half cycleсинусоидального входного сигнала напряжение на инвертирующем выводе операционного усилителя больше нуля вольт. Следовательно, выходное значение инвертирующего компаратора будет равно$-V_{sat}$ в течение положительного полупериода синусоидального входного сигнала.

• Точно так же во время negative half cycleсинусоидального входного сигнала напряжение на инвертирующем выводе операционного усилителя меньше нуля вольт. Следовательно, выходное значение инвертирующего компаратора будет равно$+V_{sat}$ во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала.

На следующем рисунке показан input and output waveforms из инвертирующего компаратора, когда опорное напряжение равно нулю вольт.

На рисунке, показанном выше, мы можем видеть, что выходной сигнал либо из $-V_{sat}$ к $+V_{sat}$ или из $+V_{sat}$ к $-V_{sat}$всякий раз, когда синусоидальный входной сигнал пересекает нулевое напряжение. Другими словами, выход изменяет свое значение, когда на входе пересекает нулевое напряжение. Следовательно, указанная выше схема также называетсяinverting zero crossing detector.

Неинвертирующий компаратор

Неинвертирующий компаратор представляет собой компаратор на основе ОУ, для которого опорное напряжение подается на его инвертирующий терминала и входное напряжение подается на его неинвертирующий терминал. Этот компаратор на базе операционного усилителя называетсяnon-inverting компаратор, потому что входное напряжение, которое необходимо сравнивать, подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя.

В circuit diagram неинвертирующего компаратора показан на следующем рисунке

В operationнеинвертирующего компаратора очень просто. Он производит одно из двух значений:$+V_{sat}$ и $-V_{sat}$ на выходе исходя из значений входного напряжения $V_{t}$ и опорное напряжение $+V_{ref}$.

• Выходное значение неинвертирующего компаратора будет $+V_{sat}$, для которого входное напряжение $V_{i}$ больше, чем опорное напряжение $+V_{ref}$.

• Выходное значение неинвертирующего компаратора будет $-V_{sat}$, для которого входное напряжение $V_{i}$ меньше, чем опорное напряжение $+V_{ref}$.

пример

Нарисуем output wave form из неинвертирующим компаратора, когда синусоидальный входной сигнал и опорное напряжение нуля вольт применяются к неинвертирующим и инвертирования выводами операционного усилителя соответственно.

В operation неинвертирующего компаратора объясняется ниже -

• В течение positive half cycleсинусоидального входного сигнала напряжение на неинвертирующем выводе операционного усилителя больше нуля вольт. Следовательно, выходное значение неинвертирующего компаратора будет равно$+V_{sat}$ в течение положительного полупериода синусоидального входного сигнала.

• Точно так же во время negative half cycleсинусоидального входного сигнала напряжение на неинвертирующем выводе операционного усилителя меньше нуля вольт. Следовательно, выходное значение неинвертирующего компаратора будет равно$-V_{sat}$ в течение отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала.

На следующем рисунке показан input and output waveforms из не-инвертирующим компаратора, когда опорное напряжение равно нулю вольт.

Из рисунка, показанного выше, мы можем видеть, что выход переходит либо из $+V_{sat}$ к $-V_{sat}$ или из $-V_{sat}$ к $+V_{sat}$всякий раз, когда синусоидальный входной сигнал пересекает нулевое напряжение. Это означает, что выход меняет свое значение, когда на входе пересекает нулевое напряжение. Следовательно, указанная выше схема также называетсяnon-inverting zero crossing detector.

Электронные схемы, которые выполняют математические операции, такие как логарифм и антилогарифм (экспонента) с усилением, называются Logarithmic amplifier и Anti-Logarithmic amplifier соответственно.

В этой главе обсуждается Logarithmic amplifier и Anti-Logarithmic amplifierв деталях. Обратите внимание, что эти усилители относятся к нелинейным приложениям.

Логарифмический усилитель

А logarithmic amplifier, или log amplifier, представляет собой электронную схему, которая выдает выходной сигнал, пропорциональный логарифму приложенного входа. В этом разделе подробно обсуждается логарифмический усилитель на базе ОУ.

Логарифмический усилитель на основе операционного усилителя создает на выходе напряжение, пропорциональное логарифму напряжения, приложенного к резистору, подключенному к его инвертирующему выводу. Вcircuit diagram логарифмического усилителя на базе операционного усилителя показан на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме неинвертирующий входной терминал операционного усилителя подключен к земле. Это означает, что на неинвертирующую входную клемму операционного усилителя подается нулевое напряжение.

Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя будет равно напряжению на ее неинвертирующей входной клемме. Таким образом, напряжение на инвертирующей входной клемме будет равно нулю вольт.

В nodal equation в узле инвертирующего входного терминала -

$$\frac{0-V_i}{R_1}+I_{f}=0$$

$$=>I_{f}=\frac{V_i}{R_1}......Equation 1$$

Ниже приводится equation for current протекает через диод при прямом смещении -

$$I_{f}=I_{s} e^{(\frac{V_f}{nV_T})} ......Equation 2$$

где,

$I_{s}$ - ток насыщения диода,

$V_{f}$ падение напряжения на диоде при прямом смещении,

$V_{T}$ - эквивалентное тепловое напряжение диода.

В KVL equation вокруг контура обратной связи операционного усилителя будет -

$$0-V_{f}-V_{0}=0$$

$$=>V_{f}=-V_{0}$$

Подставляя значение $V_{f}$ в уравнении 2 мы получаем -

$$I_{f}=I_{s} e^{\left(\frac{-V_0}{nV_T}\right)} ......Equation 3$$

Обратите внимание, что члены в левой части уравнения 1 и уравнения 3 одинаковы. Следовательно, приравняйте член в правой части этих двух уравнений, как показано ниже -

$$\frac{V_i}{R_1}=I_{s}e^{\left(\frac{-V_0}{nV_T}\right)}$$

$$\frac{V_i}{R_1I_s}= e^{\left(\frac{-V_0}{nV_T}\right)}$$

Применение natural logarithm с обеих сторон получаем -

$$In\left(\frac{V_i}{R_1I_s}\right)= \frac{-V_0}{nV_T}$$

$$V_{0}=-{nV_T}In\left(\frac{V_i}{R_1I_s}\right)$$

Обратите внимание, что в приведенном выше уравнении параметры n, ${V_T}$ и $I_{s}$являются константами. Итак, выходное напряжение$V_{0}$ будет пропорционально natural logarithm входного напряжения $V_{i}$ для фиксированного значения сопротивления $R_{1}$.

Следовательно, схема логарифмического усилителя на основе ОУ, описанная выше, будет давать выходной сигнал, который пропорционален натуральному логарифму входного напряжения. ${V_T}$, когда ${R_1I_s}=1V$.

Обратите внимание, что выходное напряжение $V_{0}$ имеет negative sign, что указывает на наличие разности фаз 180 ⁰ между входом и выходом.

Антилогарифмический усилитель

An anti-logarithmic amplifier, или anti-log amplifier, представляет собой электронную схему, которая выдает выходной сигнал, пропорциональный антилогарифму применяемого входа. В этом разделе подробно обсуждается антилогарифмический усилитель на базе операционного усилителя.

Антилогарифмический усилитель на базе операционного усилителя создает на выходе напряжение, пропорциональное антилогарифму напряжения, подаваемого на диод, подключенный к его инвертирующему выводу.

В circuit diagram антилогарифмического усилителя на базе операционного усилителя показан на следующем рисунке -

В схеме, показанной выше, неинвертирующий входной терминал операционного усилителя подключен к земле. Это означает, что на его неинвертирующую входную клемму подается нулевое напряжение.

Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующем входном выводе операционного усилителя будет равно напряжению, присутствующему на его неинвертирующем входном выводе. Таким образом, напряжение на его инвертирующем входном выводе будет нулевым.

В nodal equation в узле инвертирующего входного терминала -

$$-I_{f}+\frac{0-V_0}{R_f}=0$$

$$=>-\frac{V_0}{R_f}=I_{f}$$

$$=>V_{0}=-R_{f}I_{f}.........Equation 4$$

Мы знаем, что уравнение для тока, протекающего через диод, когда он находится в прямом смещении, выглядит следующим образом:

$$I_{f}=I_{s} e^{\left(\frac{V_f}{nV_T}\right)}$$

Подставляя значение $I_{f}$ в уравнении 4 получаем

$$V_{0}=-R_{f}\left \{{I_{s} e^{\left(\frac{V_f}{nV_T}\right)}}\right \}$$

$$V_{0}=-R_{f}{I_{s} e^{\left(\frac{V_f}{nV_T}\right)}}......Equation 5$$

Уравнение KVL на входе инвертирующей клеммы операционного усилителя будет

$$V_{i}-V_{f}=0$$

$$V_{f}=V_{i}$$

Подставляя значение в уравнение 5, мы получаем -

$$V_{0}=-R_{f}{I_{s} e^{\left(\frac{V_i}{nV_T}\right)}}$$

Обратите внимание, что в приведенном выше уравнении параметры n, ${V_T}$ и $I_{s}$являются константами. Итак, выходное напряжение${V_0}$ будет пропорционально anti-natural logarithm (экспонента) входного напряжения ${V_i}$, для фиксированного значения сопротивления обратной связи ${R_f}$.

Следовательно, рассмотренная выше схема антилогарифмического усилителя на базе операционного усилителя будет давать выходной сигнал, который пропорционален аннатуральному логарифму (экспоненте) входного напряжения. ${V_i}$ когда, ${R_fI_s}= 1V$. Обратите внимание, что выходное напряжение${V_0}$ имеет negative sign, что указывает на наличие разности фаз 180 ⁰ между входом и выходом.

AC и DC - это два часто встречающихся термина, с которыми вы сталкиваетесь при изучении потока электрического заряда. Alternating Current (AC)имеет свойство непрерывно изменять свое состояние. Например, если мы рассматриваем синусоидальную волну, ток течет в одном направлении для положительного полупериода и в противоположном направлении для отрицательного полупериода. С другой стороны,Direct Current (DC) течет только в одном направлении.

Электронная схема, которая производит либо сигнал постоянного тока, либо пульсирующий сигнал постоянного тока, когда к ней применяется сигнал переменного тока, называется rectifier. В этой главе подробно рассматриваются выпрямители на базе операционных усилителей.

Типы выпрямителей

Выпрямители делятся на два типа: Half wave rectifier и Full wave rectifier. В этом разделе подробно рассматриваются эти два типа.

Полуволновой выпрямитель

А half wave rectifier это выпрямитель, который производит положительные полупериоды на выходе для одного полупериода входа и нулевой выход для другого полупериода входа.

В circuit diagram однополупериодного выпрямителя показано на следующем рисунке.

Обратите внимание, что принципиальная схема полуволнового выпрямителя, показанная выше, выглядит как инвертирующий усилитель с двумя диодами D ₁ и D ₂ в дополнение.

В working схемы однополупериодного выпрямителя, показанной выше, объясняется ниже

• Для positive half cycleсинусоидального входа, выход операционного усилителя будет отрицательным. Следовательно, диод D ₁ будет смещен в прямом направлении.

• Когда диод D ₁ находится в прямом смещении, выходное напряжение операционного усилителя будет -0,7 В. Таким образом, диод D ₂ будет смещен в обратном направлении. Следовательноoutput voltage приведенной выше схемы zero вольт.

• Следовательно, есть no (zero) output однополупериодного выпрямителя для положительного полупериода синусоидального входа.

• Для negative half cycleсинусоидального входа, выход операционного усилителя будет положительным. Следовательно, диоды D ₁ и D ₂ будут иметь обратное смещение и прямое смещение соответственно. Итак, выходное напряжение вышеуказанной схемы будет -

$$V_0=-\left(\frac{R_f}{R_1}\right)V_1$$

• Следовательно, на выходе полуволнового выпрямителя будет positive half cycle для отрицательного полупериода синусоидального входа.

Формы волн

В input и output waveforms полуволнового выпрямителя показаны на следующем рисунке.

Как видно из приведенного выше графика, схема полуволнового выпрямителя, которую мы обсуждали, будет производить positive half cycles для отрицательных полупериодов синусоидального входа и нулевого выхода для положительных полупериодов синусоидального входа

Двухполупериодный выпрямитель

А full wave rectifier производит положительные полупериоды на выходе для обоих полупериодов входа.

В circuit diagram двухполупериодного выпрямителя показано на следующем рисунке -

Приведенная выше принципиальная схема состоит из двух операционных усилителей, двух диодов D ₁ и D ₂ и пяти резисторов с R ₁ по R ₅ . Вworking схемы двухполупериодного выпрямителя, показанной выше, объясняется ниже -

• Для positive half cycleсинусоидального входа, выход первого операционного усилителя будет отрицательным. Следовательно, диоды D ₁ и D ₂ будут смещены в прямом и обратном направлении соответственно.

• Тогда выходное напряжение первого операционного усилителя будет -

$$V_{01}=-\left(\frac{R_2}{R_1}\right)V_i$$

• Обратите внимание, что выход первого операционного усилителя подключен к резистору R ₄ , который подключен к инвертирующему выводу второго операционного усилителя. Напряжение на неинвертирующем выводе второго операционного усилителя равно 0 В. Таким образом, второй операционный усилитель с резисторами R ₄ и R ₄ действует какinverting amplifier.

• Выходное напряжение второго операционного усилителя будет

  $$V_0=-\left(\frac{R_5}{R_4}\right)V_{01}$$

  Substituting значение $V_{01}$ в приведенном выше уравнении мы получаем -

  $$=>V_{0}=-\left(\frac{R_5}{R_4}\right)\left \{ -\left(\frac{R_2}{R_1}\right)V_{i} \right \}$$

  $$=>V_{0}=\left(\frac{R_2R_5}{R_1R_4}\right)V_{i}$$

• Следовательно, выход двухполупериодного выпрямителя будет положительным полупериодом для positive half cycleсинусоидального входа. В этом случае коэффициент усиления на выходе равен$\frac{R_2R_5}{R_1R_4}$. Если мы рассмотрим$R_{1}=R_{2}=R_{4}=R_{5}=R$, то усиление на выходе будет равно единице.

• Для negative half cycleсинусоидального входа, выход первого операционного усилителя будет положительным. Следовательно, диоды D ₁ и D ₂ будут иметь обратное смещение и прямое смещение соответственно.

• Выходное напряжение первого операционного усилителя будет -

$$V_{01}=-\left(\frac{R_3}{R_1}\right)V_{i}$$

• Выход первого операционного усилителя напрямую подключен к неинвертирующему выводу второго операционного усилителя. Теперь второй операционный усилитель с резисторами R ₄ и R ₅ действует какnon-inverting amplifier.

  Выходное напряжение второго операционного усилителя будет -

  $$V_{0}=\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right)V_{01}$$

  Substituting значение $V_{01}$ в приведенном выше уравнении мы получаем

  $$=>V_{0}=\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right) \left\{-\left(\frac{R_3}{R_1}\right)V_{i}\right \} $$

  $$=>V_{0}=-\left(\frac{R_3}{R_1}\right)\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right)V_{i}$$

• Следовательно, на выходе двухполупериодного выпрямителя будет positive half cycleтакже для отрицательного полупериода синусоидального входа. В этом случае величина усиления на выходе равна$\left(\frac{R_3}{R_1}\right)\left(1+\frac{R_5}{R_4}\right)$. Если мы рассмотрим$R_{1}=2R_{3}=R_{4}=R_{5}=R$ тогда усиление выхода будет one.

В input и output waveforms двухполупериодного выпрямителя показаны на следующем рисунке.

Как вы можете видеть на приведенном выше рисунке, схема двухполупериодного выпрямителя, которую мы рассмотрели, будет производить только positive half cycles как для положительных, так и для отрицательных полупериодов синусоидального входа.

Wave shaping circuitsпредставляют собой электронные схемы, которые создают желаемую форму на выходе из приложенной формы входной волны. Эти схемы выполняют две функции -

• Ослабьте приложенную волну
• Измените уровень постоянного тока применяемой волны.

Существует два типа схем формирования волны: Clippers и Clampers. В этой главе вы подробно узнаете о машинках для стрижки.

Клипперы на базе операционных усилителей

А clipperпредставляет собой электронную схему, которая выдает выходной сигнал путем удаления части входа выше или ниже контрольного значения. Это означает, что выходной сигнал ограничителя будет таким же, как и входной сигнал для другой части, кроме обрезанной. Из-за этого размах амплитуды выходного сигнала ограничителя всегда будет меньше амплитуды входного сигнала.

Основное преимущество ограничителей заключается в том, что они устраняют нежелательный шум, присутствующий в амплитуде переменного сигнала.

Машинки для обрезки можно разделить на следующие два типа в зависимости от того, какая часть входного сигнала ограничена.

• Положительный клиппер
• Отрицательный клиппер

Они подробно обсуждаются, как указано ниже -

Положительный клиппер

А positive clipper это ограничитель, который ограничивает только положительную часть входного сигнала.

В circuit diagramположительного клипера показан на следующем рисунке -

В схеме, показанной выше, сигнал синусоидального напряжения $V_{t}$подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя. Значение опорного напряжения$V_{ref}$ можно выбрать, варьируя резистор $R_{2}$.

В operation схемы, показанной выше, объясняется ниже -

• Если значение входного напряжения $V_i$ меньше, чем значение опорного напряжения $V_{ref}$, то диод D ₁ проводит. Тогда приведенная выше схема ведет себя какvoltage follower. Следовательно, выходное напряжение$V_{0}$ схемы выше будет такой же, как у входного напряжения $V_{i}$, за $V_{i}$ < $V_{ref}$.

• Если значение входного напряжения $V_{i}$ больше, чем значение опорного напряжения $V_{ref}$, то диод D ₁ погаснет. Теперь операционный усилитель работает в разомкнутом контуре, так как путь обратной связи был открыт. Следовательно, выходное напряжение$V_{0}$ из указанной выше схемы будет равно значение опорного напряжения $V_{ref}$, за $V_{i}$ > $V_{ref}$.

В input wave form и соответствующие output wave form положительной машинка для стрижки для положительного опорного напряжения $V_{ref}$, показаны на следующем рисунке -

Отрицательный клиппер

А negative clipperэто ограничитель, который ограничивает только отрицательную часть входного сигнала. Вы можете получить схему отрицательного клипера только путем изменения диода и принимать обратную полярность опорного напряжения в схеме, что вы видели на положительный клипер.

В circuit diagram негативного клипсатора показан на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме синусоидальный сигнал напряжения $V_{i}$подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя. Значение опорного напряжения$V_{ref}$ можно выбрать, варьируя резистор $R_{2}$.

В operation цепи отрицательного клиппера объясняется ниже -

Если значение входного напряжения $V_{t}$ больше, чем значение опорного напряжения $V_{ref}$, то диод D ₁ проводит. Тогда приведенная выше схема ведет себя какvoltage follower. Следовательно, выходное напряжение$V_{0}$ схемы выше будет такой же, как у входного напряжения $V_{i}$ за $V_{i}$> $V_{ref}$.

Если значение входного напряжения $V_{i}$меньше , чем значение опорного напряжения, то диод D ₁ будет выключен. Теперь операционный усилитель работает в разомкнутом контуре, поскольку путь обратной связи открыт. Следовательно, выходное напряжение$V_{0}$ из приведенной выше схеме будет равна величине опорного напряжения,$V_{ref}$ за $V_{i}$ < $V_{ref}$.

В input wave form и соответствующие output wave form отрицательной машинки для стрижки, для отрицательного опорного напряжения $V_{ref}$, показаны на следующем рисунке -

В предыдущей главе мы говорили о машинках для стрижки. Теперь давайте обсудим другой тип схем формирования сигнала, а именно фиксаторы.

Зажимы на базе ОУ

А clamperпредставляет собой электронную схему, которая выдает выходной сигнал, аналогичный входному, но со сдвигом уровня постоянного тока. Другими словами, выходной сигнал фиксатора является точной копией входа. Следовательно, размах амплитуды выхода ограничителя всегда будет равен амплитуде входа.

Клещи используются для ввода или восстановления постоянного уровня входного сигнала на выходе. Естьtwo types ограничителей на основе ОУ, основанных на сдвиге постоянного тока на входе.

• Положительный зажим
• Отрицательный зажим

В этом разделе подробно рассматриваются эти два типа зажимов.

Положительный зажим

Положительный фиксатор - это схема фиксатора, которая выдает выходной сигнал таким образом, что входной сигнал смещается по вертикали на положительное значение постоянного тока.

В circuit diagram положительного фиксатора показано на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме sinusoidal voltage signal, $V_{i}$ подается на инвертирующий вывод операционного усилителя через сеть, состоящую из конденсатора $C_{1}$ и резистор $R_{1}$. Это означает, что сигнал переменного напряжения подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.

В DC reference voltage $V_{ref}$ подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя. Значение опорного напряжения$V_{ref}$ можно выбрать, варьируя резистор $R_{2}$. В этом случае мы получим опорное напряжение$V_{ref}$ положительного значения.

Приведенная выше схема производит output, который is the combination (resultant sum) синусоидального сигнала напряжения $V_{i}$ и опорное напряжение $V_{ref}$. Это означает, что схема фиксатора выдает выходной сигнал таким образом, что сигнал синусоидального напряжения$V_{i}$ сдвигается вертикально вверх на величину опорного напряжения $V_{ref}$.

Форма входной волны и соответствующая форма выходной волны положительного фиксатора показаны на рисунке выше.

Из рисунка выше вы можете заметить, что положительный фиксатор сдвигает приложенную форму входного сигнала. vertically upwardна выходе. Величина сдвига будет зависеть от величины опорного напряжения постоянного тока.

Отрицательный зажим

А negative clamper представляет собой фиксирующую схему, которая производит выходной сигнал таким образом, что входной сигнал смещается по вертикали на отрицательное значение постоянного тока.

В circuit diagram отрицательного фиксатора показано на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме sinusoidal voltage signal $V_{i}$ подается на инвертирующий вывод операционного усилителя через сеть, состоящую из конденсатора C ₁ и резистора$R_{1}$. Это означает, что сигнал переменного напряжения подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.

В DC reference voltage $V_{ref}$ применяются к неинвертирующему терминалу значения оп-amp.The опорного напряжения $V_{ref}$ можно выбрать, варьируя резистор $R_{2}$. В этом случае мы получим опорное напряжение$V_{ref}$ отрицательного значения.

Вышеупомянутая схема производит выходной сигнал, который представляет собой комбинацию (результирующую сумму) синусоидального сигнала напряжения. $V_{i}$ и опорное напряжение $V_{ref}$. Это означает, что схема фиксатора выдает выходной сигнал таким образом, что сигнал синусоидального напряжения$V_{i}$ сдвигается вертикально вниз на величину опорного напряжения $V_{ref}$.

Форма входной волны и соответствующая форма выходной волны отрицательного фиксатора показаны на следующем рисунке -

Мы можем наблюдать на выходе, что отрицательный ограничитель сдвигает приложенную форму входного сигнала. vertically downwardна выходе. Сумма сдвига будет зависеть от величины опорного напряжения постоянного тока.

Filtersпредставляют собой электронные схемы, которые допускают определенные частотные компоненты и / или отклоняют некоторые другие. Возможно, вы встречали фильтры в учебнике по теории сетей. Они пассивны и представляют собой электрические цепи или сети, состоящие из пассивных элементов, таких как резистор, конденсатор и (или) индуктор.

В этой главе обсуждается active filters в деталях.

Типы активных фильтров

Активные фильтры - это электронные схемы, которые состоят из активного элемента, такого как операционный усилитель (-ы), а также пассивных элементов, таких как резистор (-ы) и конденсатор (-ы).

Активные фильтры в основном подразделяются на следующие four types в зависимости от диапазона частот, который они разрешают и / или отклоняют -

• Активный фильтр низких частот
• Активный фильтр высоких частот
• Активный полосовой фильтр
• Активный полосовой стоп-фильтр

Активный фильтр низких частот

Если активный фильтр разрешает (проходит) только low frequency компоненты и отклоняет (блокирует) все другие высокочастотные компоненты, тогда это называется active low pass filter.

В circuit diagram активного фильтра нижних частот показано на следующем рисунке -

Мы знаем, что электрическая сеть, подключенная к неинвертирующему выводу операционного усилителя, является passive low pass filter. Таким образом, вход неинвертирующего терминала операционного усилителя является выходом пассивного фильтра нижних частот.

Обратите внимание, что приведенная выше схема похожа на non-inverting amplifier. Он имеет выход пассивного фильтра нижних частот в качестве входа на неинвертирующий вывод операционного усилителя. Следовательно, он производит вывод, который$\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$ умножает вход, присутствующий на неинвертирующем терминале.

Мы можем выбрать значения $R_{f}$ и $R_{1}$ подходящим образом, чтобы получить desired gainна выходе. Предположим, если мы рассмотрим значения сопротивления$R_{f}$ и $R_{1}$ как ноль Ом и бесконечность Ом, то приведенная выше схема будет производить unity gain выход фильтра нижних частот.

Активный фильтр высоких частот

Если активный фильтр разрешает (проходит) только high frequency компоненты и отклоняет (блокирует) все остальные низкочастотные компоненты, тогда это называется active high pass filter.

В circuit diagram активного фильтра верхних частот показано на следующем рисунке -

Мы знаем, что электрическая сеть, подключенная к неинвертирующему выводу операционного усилителя, является passive high pass filter. Таким образом, вход неинвертирующего терминала операционного усилителя является выходом пассивного фильтра верхних частот.

Теперь приведенная выше схема напоминает non-inverting amplifier. Он имеет выход пассивного фильтра верхних частот в качестве входа на неинвертирующий вывод операционного усилителя. Следовательно, он производит вывод, который$\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)$ умножает входное напряжение на его неинвертирующем выводе.

Мы можем выбрать значения $R_f$ и $R_1$ подходящим образом, чтобы получить desired gainна выходе. Предположим, если мы рассмотрим значения сопротивления$R_{f}$ и $R_{1}$ как ноль Ом и бесконечность Ом, то приведенная выше схема будет производить unity gain Выход фильтра высоких частот.

Активный полосовой фильтр

Если активный фильтр пропускает (пропускает) только одну полосу частот, то он называется active band pass filter. Как правило, эта полоса частот находится между диапазоном низких и высоких частот. Таким образом, активный полосовой фильтр отклоняет (блокирует) как низкочастотные, так и высокочастотные составляющие.

В circuit diagram активного полосового фильтра показано на следующем рисунке

Обратите внимание, что есть two parts на принципиальной схеме активного полосового фильтра: первая часть - это активный фильтр верхних частот, а вторая часть - активный фильтр нижних частот.

Выход активного фильтра верхних частот применяется как вход активного фильтра нижних частот. Это означает, что активный фильтр верхних частот и активный фильтр нижних частот являются cascaded чтобы получить выходной сигнал таким образом, чтобы он содержал только определенную полосу частот.

В active high pass filter, присутствующий на первом этапе, допускает частоты, превышающие lower cut-off frequencyактивного полосового фильтра. Итак, мы должны выбрать значения$R_{B}$ и $C_{B}$ соответственно, чтобы получить желаемый lower cut-off frequency активного полосового фильтра.

Точно так же active low pass filter, который присутствует на втором этапе, позволяет использовать частоты, меньшие, чем более высокая частота среза активного полосового фильтра. Итак, мы должны выбрать значения$R_{A}$ и $C_{A}$ подходящим образом, чтобы получить желаемый higher cut-off frequency активного полосового фильтра.

Следовательно, схема на схеме, описанной выше, будет производить выходной сигнал активного полосового фильтра.

Активный полосовой стоп-фильтр

Если активный фильтр отклоняет (блокирует) определенную полосу частот, то это называется active band stop filter. Как правило, эта полоса частот находится между диапазоном низких и высоких частот. Таким образом, активный полосовой заградительный фильтр пропускает (пропускает) как низкочастотные, так и высокочастотные компоненты.

В block diagram активного полосового заградительного фильтра показано на следующем рисунке -

Обратите внимание, что блок-схема активного полосового заградительного фильтра состоит из двух блоков на первом этапе: активного фильтра нижних частот и активного фильтра верхних частот. Выходы этих двух блоков используются как входы для блока, который присутствует на втором этапе. Так чтоsumming amplifier формирует выходной сигнал, который представляет собой усиленную версию суммы выходных сигналов активного фильтра нижних частот и активного фильтра верхних частот.

Следовательно, на выходе приведенной выше блок-схемы будет output of an active band stop , когда мы выбираем частоту среза фильтра нижних частот меньше, чем частота среза фильтра верхних частот.

В circuit diagram активного полосового заградительного фильтра показано на следующем рисунке -

Мы уже видели принципиальные схемы активного фильтра нижних частот, активного фильтра верхних частот и суммирующего усилителя. Обратите внимание, что мы получили вышеупомянутоеcircuit diagram активного полосового заградительного фильтра путем замены блоков соответствующими принципиальными схемами в блок-схеме активного полосового заградительного фильтра.

Генератор - это электронная схема, вырабатывающая периодический сигнал. Если генератор производит синусоидальные колебания, это называетсяsinusoidal oscillator. Он преобразует входную энергию от источника постоянного тока в выходную энергию переменного тока периодического сигнала. Этот периодический сигнал будет иметь определенную частоту и амплитуду.

В block diagram синусоидального генератора показан на следующем рисунке -

Приведенный выше рисунок в основном состоит из two blocks: усилитель и сеть обратной связи. Схема обратной связи принимает часть выхода усилителя в качестве входа к нему и выдает сигнал напряжения. Этот сигнал напряжения подается на вход усилителя.

Блок-схема синусоидального генератора, показанная выше, производит синусоидальные колебания, когда следующие two conditions довольны -

• В loop gain $A_{v}\beta$ приведенной выше блок-схемы синусоидального генератора должно быть больше или равно unity. Вот,$A_{v}$ и $\beta$ - коэффициент усиления усилителя и коэффициент усиления цепи обратной связи соответственно.

• Общая phase shift вокруг контура приведенной выше блок-схемы синусоидального генератора должны быть либо 0⁰ или же 360⁰.

Два вышеуказанных условия вместе называются Barkhausen criteria.

Осцилляторы на базе операционных усилителей

Есть two типы генераторов на базе операционных усилителей.

• Генератор сдвига фаз RC
• Генератор моста Вина

В этом разделе подробно обсуждается каждый из них.

RC-фазовый генератор

Генератор на базе операционного усилителя, который вырабатывает синусоидальный сигнал напряжения на выходе с помощью инвертирующего усилителя и цепи обратной связи, известен как RC phase shift oscillator. Эта сеть обратной связи состоит из трех каскадных RC-секций.

В circuit diagram RC-генератора с фазовым сдвигом показан на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме операционный усилитель работает в inverting mode. Следовательно, он обеспечивает фазовый сдвиг 180 ⁰ . Сеть обратной связи, представленная в вышеупомянутой схеме, также обеспечивает фазовый сдвиг 180 ⁰ , поскольку каждая RC-секция обеспечивает фазовый сдвиг 60 ⁰ . Следовательно, приведенная выше схема обеспечивает полный фазовый сдвиг 360 ⁰ на некоторой частоте.

• В output frequency генератора с фазовым сдвигом RC -

$$f=\frac{1}{2\Pi RC\sqrt[]{6}}$$

• В gain $A_{v}$ инвертирующего усилителя должно быть больше или равно -29,

$$i.e.,-\frac{R_f}{R_1}\geq-29$$

$$=>\frac{R_f}{R_1}\geq-29$$

$$=>R_{f}\geq29R_{1}$$

Итак, следует учитывать номинал резистора обратной связи. $R_{f}$, как минимум в 29 раз больше номинала резистора $R_{1}$, для создания устойчивых колебаний на выходе RC-генератора сдвига фаз.

Осциллятор моста Вина

Генератор на базе операционного усилителя, который вырабатывает синусоидальный сигнал напряжения на выходе с помощью неинвертирующего усилителя и цепи обратной связи, известен как Wien bridge oscillator.

В circuit diagram генератора моста Вина показан на следующем рисунке -

В схеме, показанной выше для генератора на мосту Вейна, операционный усилитель работает в non inverting mode. Следовательно, он обеспечивает фазовый сдвиг на 00. Таким образом, цепь обратной связи, присутствующая в приведенной выше схеме, не должна обеспечивать какой-либо фазовый сдвиг.

Если сеть обратной связи обеспечивает некоторый фазовый сдвиг, то мы должны balance the bridgeтаким образом, чтобы не было сдвига фаз. Итак, приведенная выше схема обеспечивает полный фазовый сдвиг 0 ⁰ на некоторой частоте.

• В output frequency осциллятора моста Вина

$$f=\frac{1}{2\Pi RC}$$

• В gain $A_{v}$ неинвертирующего усилителя должно быть больше или равно 3

$$i.e.,1+\frac{R_f}{R_1}\geq3$$

$$=>\frac{R_f}{R_1}\geq2$$

$$=>R_{f}\geq2R_{1}$$

Итак, следует учитывать номинал резистора обратной связи. $R_{f}$ как минимум в два раза больше сопротивления резистора, $R_{1}$ для создания устойчивых колебаний на выходе генератора моста Вина.

А waveform generatorпредставляет собой электронную схему, которая генерирует стандартную волну. Есть два типа генераторов сигналов на базе операционных усилителей:

• Генератор прямоугольных волн
• Генератор треугольных волн

В этой главе подробно рассматривается каждый из этих генераторов сигналов на базе операционных усилителей.

Генератор прямоугольных волн

А square wave generatorпредставляет собой электронную схему, генерирующую меандр. В этом разделе обсуждаются генераторы прямоугольных импульсов на базе операционных усилителей.

В circuit diagram генератора прямоугольных импульсов на базе операционного усилителя показан на следующем рисунке.

Обратите внимание, что на схеме, показанной выше, резистор $R_{1}$подключается между инвертирующим входом операционного усилителя и его выходом операционного усилителя. Итак, резистор$R_{1}$ используется в negative feedback. Аналогично резистор$R_{2}$подключен между неинвертирующим входом операционного усилителя и его выходом. Итак, резистор$R_{2}$ используется в positive feedback путь.

Конденсатор C подключен между инвертирующим входным выводом операционного усилителя и землей. Так чтоvoltage across capacitor Cбудет входным напряжением на этом инвертирующем выводе операционного усилителя. Аналогично резистор$R_{3}$подключается между неинвертирующей входной клеммой операционного усилителя и землей. Так чтоvoltage across resistor $R_{3}$ будет входным напряжением на этом неинвертирующем выводе операционного усилителя.

В operation генератора прямоугольных сигналов объясняется ниже -

• Допустим, есть no chargeизначально хранится в конденсаторе. Тогда напряжение на инвертирующем выводе операционного усилителя равно нулю вольт. Но на неинвертирующем выводе операционного усилителя есть некоторое напряжение смещения. Из-за этого значение на выходе вышеуказанной схемы будет$+V_{sat}$.

• Теперь конденсатор C запускается charging через резистор $R_{1}$. Значение на выходе вышеуказанной схемы изменится на$-V_{sat}$, когда напряжение на конденсаторе C достигает чуть больше, чем напряжение (положительное значение) на резисторе $R_{3}$.

• Конденсатор C запускается discharging через резистор $R_{1}$, когда выход вышеуказанной схемы $-V_{sat}$. Значение на выходе вышеуказанной схемы изменится на$+V_{sat}$, когда напряжение на конденсаторе C достигает чуть меньше (более отрицательного) напряжения (отрицательного значения) на резисторе $R_{3}$.

Таким образом, схема, показанная на диаграмме выше, будет производить square wave на выходе, как показано на следующем рисунке -

Из рисунка выше видно, что выходной сигнал генератора прямоугольных импульсов будет иметь одно из двух значений: $+V_{sat}$ и $-V_{sat}$. Таким образом, выход остается на одном значении в течение некоторого времени, а затем переходит к другому значению и остается там в течение некоторого времени. Таким образом, это продолжается.

Генератор треугольных волн

Генератор треугольной волны - это электронная схема, которая генерирует треугольную волну. Вblock diagram генератора треугольных волн показан на следующем рисунке -

Блок-схема генератора треугольных волн состоит в основном из двух блоков: генератора прямоугольных сигналов и интегратора. Эти два блокаcascaded. Это означает, что выход генератора прямоугольных импульсов используется как вход интегратора. Обратите внимание, что интегрирование прямоугольной волны - это не что иное, как треугольная волна.

В circuit diagram генератора треугольных волн на базе ОУ показан на следующем рисунке -

Мы уже видели принципиальные схемы генератора прямоугольных импульсов и интегратора. Обратите внимание, что мы получили вышеупомянутоеcircuit diagram генератора треугольных волн на основе ОУ путем замены блоков соответствующими принципиальными схемами в блок-схеме генератора треугольных волн.

В 555 Timer IC получил свое название от трех $5K\Omega$резисторы, которые используются в его сети делителя напряжения. Эта ИС полезна для генерации точных временных задержек и колебаний. В этой главе подробно рассказывается о таймере 555.

Схема контактов и функциональная схема

В этом разделе сначала давайте обсудим схему выводов микросхемы таймера 555, а затем ее функциональную схему.

Схема контактов

Микросхема таймера 555 представляет собой 8-контактный миниатюрный двухрядный корпус (DIP). Вpin diagram микросхемы таймера 555 показана на следующем рисунке -

Значение каждой булавки понятно из приведенной выше диаграммы. Эта микросхема таймера 555 может работать от источника постоянного тока от + 5В до + 18В. В основном это полезно для созданияnon-sinusoidal формы волны, такие как квадрат, пилообразный, импульсный и т. д.

Функциональная схема

Графическое изображение, показывающее внутренние детали таймера 555, известно как функциональная диаграмма.

В functional diagram микросхемы таймера 555 показана на следующем рисунке -

Обратите внимание, что функциональная схема таймера 555 содержит цепь делителя напряжения, два компаратора, один триггер SR, два транзистора и инвертор. В этом разделе подробно обсуждается назначение каждого блока или компонента -

Сеть делителей напряжения

• Сеть делителя напряжения состоит из трех $5K\Omega$ резисторы, включенные последовательно между питающим напряжением $V_{cc}$ и земля.

• Эта сеть обеспечивает напряжение $\frac{V_{cc} }{3}$ между точкой и землей, если существует только один $5K\Omega$резистор. Точно так же он обеспечивает напряжение$\frac{2V_{cc} }{3}$ между точкой и землей, если существует только два $5K\Omega$ резисторы.

Компаратор

• Функциональная схема микросхемы таймера 555 состоит из двух компараторов: верхнего компаратора (UC) и нижнего компаратора (LC).

• Напомним, что comparator сравнивает два примененных к нему входных сигнала и выдает результат.

• Если напряжение на неинвертирующем выводе операционного усилителя больше, чем напряжение на его инвертирующем выводе, то выход компаратора будет $+V_{sat}$. Это можно рассматривать какLogic High ('1') в цифровом представлении.

• Если напряжение на неинвертирующем выводе операционного усилителя меньше или равно напряжению на его инвертирующем выводе, то на выходе компаратора будет $-V_{sat}$. Это можно рассматривать какLogic Low ('0') в цифровом представлении.

SR Flip-Flop

• Напомним, что SR flip-flopработает либо с положительными тактовыми переходами, либо с отрицательными тактовыми переходами. Он имеет два входа: S и R и два выхода: Q (t) и Q (t) '. Выходы Q (t) и Q (t) 'дополняют друг друга.

• В следующей таблице показаны state table триггера SR

S	р	Q (t + 1)
0	0	Q (т)
0	1	0
1	0	1
1	1	-

• Здесь Q (t) и Q (t + 1) представляют собой текущее состояние и следующее состояние соответственно. Таким образом, SR-триггер может использоваться для одной из этих трех функций, таких как удержание, сброс и установка, в зависимости от условий входа, когда применяется положительный (отрицательный) переход тактового сигнала.

• Выходы нижнего компаратора (LC) и верхнего компаратора (UC) применяются как inputs of SR flip-flop как показано на функциональной схеме микросхемы таймера 555.

Транзисторы и инвертор

• Функциональная схема микросхемы таймера 555 состоит из одного npn-транзистора. $Q_{1}$ и один pnp транзистор $Q_{2}$. Транзистор npn$Q_{1}$включается, если напряжение между базой и эмиттером положительное и больше напряжения включения. В противном случае он будет отключен.

• Транзистор pnp $Q_{2}$ используется как buffer для изоляции входа сброса от триггера SR и транзистора npn $Q_{1}$.

• В inverter Используемый в функциональной схеме микросхемы таймера 555 не только выполняет инвертирующее действие, но и усиливает уровень мощности.

Микросхема таймера 555 может использоваться в моностабильном режиме для генерации импульса на выходе. Точно так же его можно использовать в нестабильной работе, чтобы на выходе формировалась прямоугольная волна.

Контур фазовой автоподстройки частоты (PLL)является одним из важнейших блоков линейных систем. Это полезно в системах связи, таких как радары, спутники, FM и т. Д.

В этой главе подробно обсуждается блок-схема ФАПЧ и IC 565.

Блок-схема ФАПЧ

Контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в основном состоит из следующих three blocks -

• Фазовый детектор
• Активный фильтр низких частот
• Генератор, управляемый напряжением (ГУН)

В block diagram схемы ФАПЧ показано на следующем рисунке -

Выход фазового детектора используется как вход активного фильтра нижних частот. Точно так же выход активного фильтра нижних частот применяется как вход ГУН.

В working схемы ФАПЧ выглядит следующим образом -

• Phase detector создает постоянное напряжение, которое пропорционально разности фаз между входным сигналом, имеющим частоту $f_{in}$ и сигнал обратной связи (выходной) с частотой $f_{out}$.

• А Phase detector является умножителем и выдает на выходе две частотные составляющие - сумму частот $f_{in}$ и $f_{out}$ и разность частот $f_{in}$ & $f_{out}$.

• An active low pass filterвырабатывает на выходе постоянное напряжение после устранения высокочастотной составляющей, присутствующей на выходе фазового детектора. Он также усиливает сигнал.

• А VCOгенерирует сигнал определенной частоты, когда к нему не применяется входной сигнал. Эта частота может быть сдвинута в любую сторону, приложив к ней постоянное напряжение. Следовательно, девиация частоты прямо пропорциональна напряжению постоянного тока, присутствующему на выходе фильтра нижних частот.

Вышеуказанные операции выполняются до тех пор, пока частота ГУН не станет равной частоте входного сигнала. В зависимости от типа приложения мы можем использовать либо выход активного фильтра нижних частот, либо выход VCO. ФАПЧ используются во многихapplications например, FM-демодулятор, тактовый генератор и т. д.

ФАПЧ работает в одном из following three modes -

• Свободный режим работы
• Режим захвата
• Режим блокировки

Первоначально ФАПЧ работает в free running modeкогда к нему не применяется никакой ввод. Когда на систему ФАПЧ подается входной сигнал некоторой частоты, тогда частота выходного сигнала ГУН начинает изменяться. На этом этапе говорят, что ФАПЧ работает вcapture mode. Частота выходного сигнала VCO будет непрерывно изменяться, пока не станет равной частоте входного сигнала. Теперь говорят, что ФАПЧ работает вlock mode.

IC 565

IC 565 - наиболее часто используемая ИС с фазовой автоподстройкой частоты. Это 14-контактный двухрядный корпус (DIP). Вpin diagram IC 565 показан на следующем рисунке -

Назначение каждого вывода понятно из приведенной выше схемы. Из 14 контактов только 10 контактов (от 1 до 10) используются для работы ФАПЧ. Итак, оставшиеся 4 контакта (номера контактов с 11 по 14) помечены как NC (Нет соединения).

В VCOсоздает выходной сигнал на выводе 4 IC 565, когда выводы 2 и 3 заземлены. Математически мы можем записать выходную частоту,$f_{out}$ VCO as.

$$f_{out}=\frac{0.25}{R_VC_V}$$

где,

$R_{V}$ это внешний резистор, который подключен к контакту номер 8

$C_{V}$ это внешний конденсатор, который подключен к контакту 9

• Выбирая правильные значения $R_{V}$ и $C_{V}$, мы можем зафиксировать (определить) выходную частоту, $f_{out}$ VCO.

• Pin numbers 4 and 5должны быть закорочены с внешним проводом так, чтобы выход ГУН можно было использовать как один из входов фазового детектора.

• IC 565 имеет внутреннее сопротивление $3.6K\Omega$. Конденсатор C должен быть подключен между контактами 7 и 10, чтобыlow pass filter с этим внутренним сопротивлением.

Обратите внимание, что согласно требованиям мы должны правильно настроить контакты IC 565.

Функция voltage regulatorзаключается в поддержании постоянного напряжения постоянного тока на выходе независимо от колебаний напряжения на входе и (или) изменения тока нагрузки. Другими словами, регулятор напряжения выдает регулируемое выходное напряжение постоянного тока.

Стабилизаторы напряжения также доступны в форме интегральных схем (IC). Они называютсяvoltage regulator ICs.

Типы регуляторов напряжения

Есть two types регуляторов напряжения -

• Регулятор постоянного напряжения
• Регулируемый регулятор напряжения

В этой главе поочередно рассматриваются эти два типа регуляторов напряжения.

Регулятор постоянного напряжения

А fixed voltage regulatorпроизводит фиксированное выходное напряжение постоянного тока, которое может быть положительным или отрицательным. Другими словами, некоторые стабилизаторы постоянного напряжения выдают положительные фиксированные значения постоянного напряжения, а другие - отрицательные фиксированные значения постоянного напряжения.

78xx ИС регулятора напряжения выдают положительные фиксированные значения постоянного напряжения, тогда как ИС стабилизатора напряжения 79xx выдают фиксированные отрицательные значения постоянного напряжения.

При работе с 78xx и 79xx микросхемы регуляторов напряжения -

• «Xx» соответствует двузначному числу и представляет величину (величину) напряжения, которое производит микросхема регулятора напряжения.

• ИС регуляторов напряжения 78xx и 79xx имеют 3 pins каждый и третий штырь используются для сбора выходного сигнала с них.

• Назначение первого и второго контактов этих двух типов микросхем разное -

  • Первый и второй контакты 78xx ИС регулятора напряжения используются для подключения входа и земли соответственно.

  • Первый и второй контакты 79xx ИС регулятора напряжения используются для подключения земли и входа соответственно.

Примеры

• Микросхема регулятора напряжения 7805 выдает постоянное напряжение +5 вольт.
• ИС регулятора напряжения 7905 выдает постоянное напряжение -5 вольт.

На следующем рисунке показано, как произвести fixed positive voltage на выходе с помощью фиксированного регулятора положительного напряжения с необходимыми подключениями.

На приведенном выше рисунке, который показывает стабилизированный положительный стабилизатор напряжения, входной конденсатор C _i используется для предотвращения нежелательных колебаний, а выходной конденсатор C ₀ действует как сетевой фильтр для улучшения переходной характеристики.

Note - получить fixed negative voltage на выходе с помощью стабилизированного стабилизатора отрицательного напряжения с соответствующими соединениями.

Регулируемый регулятор напряжения

Регулируемый регулятор напряжения создает выходное напряжение постоянного тока, которое можно отрегулировать до любого другого значения в определенном диапазоне напряжений. Следовательно, регулируемый регулятор напряжения также называютvariable voltage regulator.

Значение выходного постоянного напряжения регулируемого регулятора напряжения может быть положительным или отрицательным.

ИС регулятора напряжения LM317

LM317 ИС регулятора напряжения может использоваться для получения желаемого положительного фиксированного значения постоянного напряжения в доступном диапазоне напряжений.

ИС регулятора напряжения LM317 имеет 3 контакта. Первый контакт используется для регулировки выходного напряжения, второй контакт используется для сбора выходного сигнала, а третий контакт используется для подключения входа.

Регулируемый штифт (клемма) снабжен переменным резистором, который позволяет изменять выходной сигнал в широком диапазоне.

На приведенном выше рисунке показан нерегулируемый источник питания, управляющий микросхемой стабилизатора напряжения LM 317, которая обычно используется. Эта ИС может обеспечивать ток нагрузки 1,5 А в регулируемом диапазоне выходных сигналов от 1,25 В до 37 В.

Все величины в реальном мире аналоговые по своей природе. Мы можем представить эти величины электрически как аналоговые сигналы. Ananalog signal - это изменяющийся во времени сигнал, который имеет любое количество значений (вариаций) для данного временного интервала.

В отличие от этого, digital signal внезапно меняется от одного уровня к другому и будет иметь только конечное число значений (вариаций) для данного временного интервала.

В этой главе обсуждаются типы преобразователей данных и их характеристики.

Типы преобразователей данных

Электронные схемы, которые могут работать с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми схемами. Точно так же электронные схемы, которые могут работать с цифровыми сигналами, называются цифровыми схемами. Конвертер данных - это электронная схема, которая преобразует данные одной формы в другую.

Есть два types of data converters -

• Аналого-цифровой преобразователь
• Цифро-аналоговый преобразователь

Если мы хотим подключить выход аналоговой схемы как вход цифровой схемы, то мы должны разместить между ними схему сопряжения. Эта интерфейсная схема, которая преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал, называетсяAnalog to Digital Converter.

Точно так же, если мы хотим подключить выход цифровой схемы как вход аналоговой схемы, мы должны разместить между ними схему сопряжения. Эта интерфейсная схема, которая преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал, называетсяDigital to Analog Converter.

Обратите внимание, что для работы некоторых аналого-цифровых преобразователей может потребоваться цифро-аналоговый преобразователь в качестве внутреннего блока.

Характеристики

Ниже приведены specifications которые связаны с преобразованием данных -

• Resolution
• Время конверсии

разрешение

Разрешение - это minimum amount of changeнеобходимо в аналоговом входном напряжении, чтобы оно было представлено на двоичном (цифровом) выходе. Это зависит от количества битов, используемых на цифровом выходе.

Mathematically, разрешение можно представить как

$$Resolution=\frac{1}{2^{N}}$$

где «N» - количество битов, присутствующих на цифровом выходе.

Из приведенной выше формулы мы можем заметить, что существует inverse relationshipмежду разрешением и количеством бит. Следовательно, разрешение уменьшается с увеличением количества битов и наоборот.

Resolution также может быть определено как отношение максимального аналогового входного напряжения, которое может быть представлено в двоичном формате, и эквивалентного двоичного числа.

Mathematically, разрешение можно представить как

$$Resolution=\frac{V_{FS}}{2^{N}-1}$$

где,

$V_{FS}$ это полное входное напряжение или максимальное аналоговое входное напряжение,

«N» - это количество битов, присутствующих в цифровом выходе.

Время конверсии

Время, необходимое преобразователю данных для преобразования данных (информации) одной формы в эквивалентные данные в другой форме, называется conversion time. Поскольку у нас есть два типа преобразователей данных, существует два типа времени преобразования:

• Время аналогово-цифрового преобразования
• Время цифроаналогового преобразования

Время, необходимое аналого-цифровому преобразователю (АЦП) для преобразования входного аналогового напряжения в его эквивалентный двоичный (цифровой) выход, называется Analog to Digital conversion time. Это зависит от количества битов, используемых на цифровом выходе.

Время, необходимое ЦАП для преобразования двоичного (цифрового) входа в его эквивалентное аналоговое выходное напряжение, называется Digital to Analog conversion time. Это зависит от количества битов, присутствующих на двоичном (цифровом) входе.

А Digital to Analog Converter (DAC)преобразует цифровой входной сигнал в аналоговый выходной сигнал. Цифровой сигнал представлен двоичным кодом, который представляет собой комбинацию битов 0 и 1. В этой главе подробно рассматриваются цифро-аналоговые преобразователи.

В block diagram ЦАП показан на следующем рисунке -

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) состоит из нескольких двоичных входов и одного выхода. В целомnumber of binary inputs ЦАП будет степенью двойки.

Типы ЦАП

Есть two types ЦАПов

• Взвешенный резисторный ЦАП
• Лестничный ЦАП R-2R

В этом разделе подробно обсуждаются эти два типа ЦАП -

Взвешенный резисторный ЦАП

ЦАП с взвешенным резистором создает аналоговый выход, который почти равен цифровому (двоичному) входу при использовании binary weighted resistorsв цепи инвертирующего сумматора. Короче говоря, ЦАП с двоичным взвешенным резистором называется ЦАП с взвешенным резистором.

В circuit diagram 3-битного двоично-взвешенного резисторного ЦАП показан на следующем рисунке -

Напомним, что биты двоичного числа могут иметь только одно из двух значений. т.е. либо 0, либо 1. Пусть3-bit binary input является $b_{2}b_{1}b_{0}$. Здесь биты$b_{2}$ и $b_{0}$ обозначить Most Significant Bit (MSB) and Least Significant Bit (LSB) соответственно.

В digital switchesпоказанный на приведенном выше рисунке будет подключен к земле, когда соответствующие входные биты будут равны «0». Аналогичным образом, цифровые переключатели, показанные на рисунке выше будет соединен с отрицательным опорным напряжением,$-V_{R}$ когда соответствующие входные биты равны «1».

В приведенной выше схеме неинвертирующий входной терминал операционного усилителя подключен к земле. Это означает, что на неинвертирующую входную клемму операционного усилителя подается нулевое напряжение.

Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующем входном выводе операционного усилителя такое же, как напряжение на его неинвертирующем входном выводе. Таким образом, напряжение в узле инвертирующей входной клеммы будет равно нулю вольт.

В nodal equation в узле инвертирующего входного терминала:

$$\frac{0+V_{R}b_{2}}{2^{0}R}+\frac{0+V_{R}b_{1}}{2^{1}R}+\frac{0+V_{R}b_{0}}{2^{2}R}+\frac{0-V_{0}}{R_{f}}=0$$

$$=>\frac{V_{0}}{R_{f}}=\frac{V_{R}b_{2}}{2^{0}R}+\frac{V_{R}b_{1}}{2^{1}R}+\frac{V_{R}b_{0}}{2^{2}R}$$

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}R_{f}}{R}\left \{\frac{b_{2}}{2^{0}}+\frac{b_{1}}{2^{1}}+\frac{b_{0}}{2^{2}}\right \}$$

Подставляя, $R=2R_{f}$ в приведенном выше уравнении.

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}R_{f}}{2R_{f}}\left \{\frac{b_{2}}{2^{0}}+\frac{b_{1}}{2^{1}}+\frac{b_{0}}{2^{2}}\right \}$$

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}}{2}\left \{\frac{b_{2}}{2^{0}}+\frac{b_{1}}{2^{1}}+\frac{b_{0}}{2^{2}}\right \}$$

Вышеприведенное уравнение представляет output voltage equation3-битного двоично-взвешенного резисторного ЦАП. Так как число битов три в двоичной (цифровой) вход, мы получим семь возможных значений выходного напряжения путем изменения двоичного входа от 000 до 111 для фиксированного опорного напряжения,$V_{R}$.

Мы можем написать generalized output voltage equation N-разрядного двоично-взвешенного резисторного ЦАП, как показано ниже, на основе уравнения выходного напряжения 3-разрядного двоично-взвешенного резисторного ЦАП.

$$=>V_{0}=\frac{V_{R}}{2}\left \{ \frac{b_{N-1}}{2^{0}}+ \frac{b_{N-2}}{2^{1}}+....+\frac{b_{0}}{2^{N-1}} \right \}$$

В disadvantages ЦАП с двоичным взвешенным резистором выглядят следующим образом -

• Разница между значениями сопротивления, соответствующими LSB и MSB, будет увеличиваться по мере увеличения количества бит, присутствующих на цифровом входе.

• Трудно разработать более точные резисторы, поскольку количество битов, присутствующих на цифровом входе, увеличивается.

Лестничный ЦАП R-2R

Релейный ЦАП R-2R преодолевает недостатки ЦАП с дискретным взвешенным резистором. Как следует из названия, лестничный ЦАП R-2R выдает аналоговый выход, который почти равен цифровому (двоичному) входу при использованииR-2R ladder network в цепи инвертирующего сумматора.

Вcircuit diagram3-битного лестничного ЦАП R-2R показан на следующем рисунке -

Напомним, что биты двоичного числа могут иметь только одно из двух значений. т.е. либо 0, либо 1. Пусть3-bit binary input является $b_{2}b_{1}b_{0}$. Здесь биты$b_{2}$ и $b_{0}$ обозначают старший значащий бит (MSB) и младший значащий бит (LSB) соответственно.

Цифровые переключатели, показанные на рисунке выше, будут подключены к земле, когда соответствующие входные биты будут равны «0». Аналогичным образом, цифровые переключатели, показанные на рисунке выше будет соединен с отрицательным опорным напряжением,$-V_{R}$ когда соответствующие входные биты равны «1».

Получить обобщенное уравнение выходного напряжения для лестничного ЦАП R-2R сложно. Но мы можем легко найти значения аналогового выходного напряжения R-2R Ladder DAC для отдельных комбинаций двоичных входов.

В advantages лестничного ЦАП R-2R следующие:

• R-2R Ladder DAC содержит только два значения резистора: R и 2R. Таким образом, легко выбрать и спроектировать более точные резисторы.

• Если на цифровом входе присутствует большее количество битов, то необходимо дополнительно включить необходимое количество секций R-2R.

Из-за вышеуказанных преимуществ лестничный ЦАП R-2R предпочтительнее ЦАП с двоично-взвешенным резистором.

В предыдущей главе мы обсудили два типа ЦАП. В этой главе обсуждается пример проблемы, основанной на лестничном ЦАП R-2R.

пример

Найдем значение аналогового выходного напряжения Р-2R Ladder DAC для двоичного входа, $b_{2}b_{1}b_{0}$ = 100.

Принципиальная схема и ее упрощение

В circuit diagram 3-битного лестничного ЦАП R-2R при двоичном входе, $b_{2}b_{1}b_{0}$ = 100, примененное к нему, показано на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме существуют последовательные и параллельные комбинации резисторов слева от point Aпо отношению к земле. Таким образом, мы можем заменить всю эту резисторную сеть на один резистор с сопротивлением$2R\Omega$.

В simplified circuit diagram показано на следующем рисунке -

Мы можем заменить часть сети, которая подключена слева от точки B относительно земли, используя эквивалентную схему Тевенина. Вmodified circuit diagram показано на следующем рисунке -

В приведенной выше схеме имеется последовательная комбинация двух резисторов. Замените эту комбинацию одним резистором. Финалcircuit diagram после упрощения показано на следующем рисунке -

Теперь приведенная выше принципиальная схема выглядит как inverting amplifier. Входное напряжение$-\frac{V_{R}}{2}$ вольт, входное сопротивление $2R\Omega$ и сопротивление обратной связи $2R\Omega$.

В output voltage схемы, показанной выше, будет -

$$V_{0}=-\frac{2R}{2R}\left(-\frac{V_{R}}{2}\right)$$

$$V_{0}=\frac{V_{R}}{2}$$

Следовательно output voltage 3-битного лестничного ЦАП R-2R $\frac{V_{R}}{2}$ вольт для двоичного входа, $b_{2}b_{1}b_{0}$ = 100.

Аналого-цифровой преобразователь (ADC)преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Цифровой сигнал представлен двоичным кодом, который представляет собой комбинацию битов 0 и 1.

В block diagram АЦП показан на следующем рисунке -

Обратите внимание, что на рисунке выше аналого-цифровой преобразователь (ADC)состоит из одного аналогового входа и множества двоичных выходов. В общем, количество двоичных выходов АЦП будет степенью двух.

Есть two typesиз АЦП: АЦП прямого типа и АЦП косвенного типа. В этой главе подробно рассматриваются АЦП прямого типа.

Если АЦП выполняет аналого-цифровое преобразование напрямую, используя сгенерированный внутри эквивалентный цифровой (двоичный) код для сравнения с аналоговым входом, то он называется Direct type ADC.

Ниже приведены examples АЦП прямого типа -

• Тип счетчика АЦП
• АЦП последовательного приближения
• АЦП типа вспышки

В этом разделе подробно рассматриваются эти АЦП прямого типа.

Тип счетчика АЦП

А counter type ADC формирует цифровой выход, который приблизительно равен аналоговому входу за счет использования внутреннего счетчика.

В block diagram АЦП счетного типа показан на следующем рисунке -

АЦП счетного типа в основном состоит из 5 блоков: генератора тактовых сигналов, счетчика, ЦАП, компаратора и управляющей логики.

В working АЦП счетного типа выглядит следующим образом -

• В control logic сбрасывает счетчик и включает генератор тактовых сигналов для отправки тактовых импульсов на счетчик, когда он получил командный сигнал пуска.

• В counterувеличивается на единицу для каждого тактового импульса, и его значение будет в двоичном (цифровом) формате. Этот выход счетчика применяется как вход ЦАП.

• DACпреобразует полученный двоичный (цифровой) вход, который является выходом счетчика, в аналоговый выход. Компаратор сравнивает это аналоговое значение,$V_{a}$ со значением внешнего аналогового входа $V_{i}$.

• В output of comparator будет ‘1’пока больше чем. Операции, упомянутые в двух вышеупомянутых шагах, будут продолжаться до тех пор, пока управляющая логика получит «1» с выхода компаратора.

• В output of comparator будет ‘0’ когда $V_{i}$ меньше или равно $V_{a}$. Таким образом, логика управления получает «0» с выхода компаратора. Затем управляющая логика отключает генератор тактовых сигналов, чтобы он не отправлял тактовые импульсы на счетчик.

• В этот момент выходные данные счетчика будут отображаться как digital output. Это почти эквивалентно соответствующему значению внешнего аналогового входа$V_{i}$.

АЦП последовательного приближения

А successive approximation type ADC производит цифровой выход, который приблизительно равен аналоговому входу, используя метод последовательного приближения внутри.

В block diagram АЦП последовательного приближения показан на следующем рисунке

АЦП последовательного приближения в основном состоит из 5 блоков - генератора тактовых сигналов, регистра последовательного приближения (SAR), ЦАП, компаратора и логики управления.

В working АЦП последовательного приближения выглядит следующим образом -

• В control logic сбрасывает все биты SAR и включает генератор тактовых сигналов для отправки тактовых импульсов в SAR, когда он получил командный сигнал запуска.

• Двоичные (цифровые) данные, представленные в SARбудет обновляться для каждого тактового импульса в зависимости от выхода компаратора. Выход SAR используется как вход DAC.

• DAC преобразует полученный цифровой вход, который является выходом SAR, в аналоговый выход. Компаратор сравнивает это аналоговое значение$V_{a}$ со значением внешнего аналогового входа $V_{i}$.

• В output of a comparator будет '1', пока $V_{i}$ больше, чем $V_{a}$. Точно так же на выходе компаратора будет 0, когда$V_{i}$ меньше или равно $V_{a}$.

• Операции, упомянутые в шагах выше, будут продолжаться до тех пор, пока цифровой выход не станет действующим.

Цифровой выход будет действительным, если он почти эквивалентен соответствующему значению внешнего аналогового входа. $V_{i}$.

АЦП типа вспышки

А flash type ADCпроизводит эквивалентный цифровой выход для соответствующего аналогового входа в кратчайшие сроки. Следовательно, АЦП флэш-памяти - самый быстрый АЦП.

В circuit diagram 3-битного АЦП флэш-памяти показан на следующем рисунке -

3-битный АЦП флэш-памяти состоит из цепи делителя напряжения, 7 компараторов и кодировщика приоритета.

В working 3-битного АЦП флэш-памяти выглядит следующим образом.

• В voltage divider networkсодержит 8 одинаковых резисторов. Опорное напряжение$V_{R}$применяется ко всей этой сети относительно земли. Падение напряжения на каждом резисторе снизу вверх по отношению к земле будет целым числом, кратным (от 1 до 8).$\frac{V_{R}}{8}$.

• Внешний input voltage $V_{i}$применяется к неинвертирующей клемме всех компараторов. Падение напряжения на каждом резисторе снизу вверх по отношению к земле подается на инвертирующий вывод компараторов снизу вверх.

• Одновременно все компараторы сравнивают внешнее входное напряжение с падениями напряжения на соответствующей другой входной клемме. Это означает, что операции сравнения выполняются каждым компаратором.parallelly.

• В output of the comparator будет '1', пока $V_{i}$больше, чем падение напряжения на соответствующей другой входной клемме. Точно так же выход компаратора будет '0', когда,$V_{i}$ меньше или равно падению напряжения на соответствующей другой входной клемме.

• Все выходы компараторов подключены как входы priority encoder.Этот кодировщик приоритета выдает двоичный код (цифровой выход), который соответствует входу с высоким приоритетом, имеющему «1».

• Следовательно, выход кодировщика приоритета - не что иное, как двоичный эквивалент (digital output) внешнего аналогового входного напряжения, $V_{i}$.

АЦП флэш-типа используется в приложениях, где скорость преобразования аналогового ввода в цифровые данные должна быть очень высокой.

В предыдущей главе мы обсудили, что такое АЦП, и примеры АЦП прямого типа. В этой главе обсуждается АЦП непрямого типа.

Если АЦП выполняет аналого-цифровое преобразование косвенным методом, то это называется Indirect type ADC. Как правило, сначала он преобразует аналоговый вход в линейную функцию времени (или частоты), а затем производит цифровой (двоичный) выход.

Двухканальный АЦП - лучший exampleАЦП непрямого типа. В этой главе это обсуждается подробно.

Двухканальный АЦП

Как следует из названия, dual slope ADC создает эквивалентный цифровой выход для соответствующего аналогового входа с использованием метода двух (двойного) наклона.

В block diagram двухканального АЦП показан на следующем рисунке -

Двухканальный АЦП в основном состоит из 5 блоков: интегратор, компаратор, генератор тактовых сигналов, логика управления и счетчик.

В working двухканального АЦП выглядит следующим образом -

• В control logic сбрасывает счетчик и включает генератор тактовых сигналов, чтобы отправлять тактовые импульсы на счетчик, когда он получает командный сигнал пуска.

• Логика управления нажимает переключатель sw подключиться к external analog input voltage $V_{i}$, когда получен сигнал команды пуска. Это входное напряжение подается на интегратор.

• Выход integrator подключен к одному из двух входов компаратора, а другой вход компаратора заземлен.

• Comparator сравнивает выход интегратора с нулевым напряжением (земля) и выдает выходной сигнал, который применяется к управляющей логике.

• В counterувеличивается на единицу для каждого тактового импульса, и его значение будет в двоичном (цифровом) формате. Он выдает сигнал переполнения для логики управления, когда он увеличивается после достижения максимального значения счета. В этот момент все биты счетчика будут иметь только нули.

• Теперь логика управления нажимает переключатель sw подключиться к negative reference вольтаж $-V_{ref}$. Это отрицательное опорное напряжение подается на интегратор. Он снимает заряд, накопленный в конденсаторе, до тех пор, пока он не станет нулевым.

• В этот момент оба входа компаратора имеют нулевое напряжение. Итак, компаратор отправляет сигнал в логику управления. Теперь управляющая логика отключает генератор тактовых сигналов и сохраняет (удерживает) значение счетчика. Вcounter value пропорционально внешнему аналоговому входному напряжению.

• В этот момент выходные данные счетчика будут отображаться как digital output. Это почти эквивалентно соответствующему значению внешнего аналогового входа$V_{i}$.

Двухканальный АЦП используется в приложениях, где accuracy более важен при преобразовании аналогового ввода в его эквивалентные цифровые (двоичные) данные.

---