Любой электронный элемент сам по себе — вещь довольно бессмысленная, поскольку в отдельности его вряд ли удастся использовать. Только соединение элементов в электрические схемы по определенным правилам позволяет строить работоспособные конструкции, добиваться от них желаемых результатов.

Этой областью радиоэлектроники занимается отдельное техническое направление — схемотехника. Современная схемотехника накопила знания не только о том, как соединять отдельные (дискретные) элементы. Проделана большая работа, в результате которой появились элементы, включающие части готовых электрических схем, — интегральные микросхемы. В этой главе мы познакомимся с интересными схемотехническими идеями, реализованными на дискретных элементах и на микросхемах.

 

Зачем нужны тиристоры и симисторы

Эти полупроводниковые приборы появились уже после изобретения транзисторов и быстро нашли свое место в электронной силовой технике. Сегодня тиристорные регуляторы применяются для преобразования электрической энергии, для управления мощными электродвигателями, нагревателями и другими нагрузками в автоматических системах. Они позволяют коммутировать большие токи при минимальной мощности управления и очень стойки к перегрузкам. Так как нам с такими элементами не раз придется столкнуться на практике, давайте познакомимся с ними поближе.

Наиболее часто можно встретить четыре разновидности тиристоров: динисторы, симисторы, тринисторы (обычные и запираемые). Самый простой из них — двухэлектродный прибор: динистор. Его условное обозначение и устройство показаны на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Упрощенное внутреннее строение, условное обозначение на схеме и вольт-амперная характеристика динистора

Как видно из этого рисунка, динистор представляет собой 4-слойный полупроводник с чередующимися областями р- и n-типа. В отличие от биполярного транзистора, где имеется только два р-n-перехода, у тиристора их уже 3, из-за чего появляются особые свойства. В обычном состоянии динистор ведет себя как обратносмещенный полупроводниковый диод, то есть диод, включенный в обратном направлении, — он не проводит ток. Кстати, отличие динистора от диода в этом состоянии все же есть: он не проводит ток в обе стороны. Но — до определенного предела. Если в схеме, показанной на рис. 13.1, повышать напряжение источника G1 до значения, равного напряжению включения (U вкл ), динистор откроется, и его сопротивление скачком станет маленьким. Но самое интересное заключается как раз в другом: при открывании через динистор потечет ток, и напряжение на нем (в открытом состоянии) установится на уровне 1,4 В. Чтобы закрыть динистор, требуется снизить ток до уровня тока удержания (I уд ). Обратное включение динистора не имеет смысла, так как в этом положении его свойства не проявляются.

Напряжение включения у динисторов из отечественной серии КН102(А — И), может быть от 20 до 150 В (в зависимости от последней буквы в обозначении), а ток удержания имеет постоянное значение и равен 15 мА. Максимальный постоянный ток в открытом состоянии для всех динисторов этой серии составляет 200 мА. Внешне динисторы похожи на обычные полупроводниковые диоды, так что отличать их придется по маркировке.

Чтобы было более понятно, какую пользу можно извлечь от динистора, надо познакомиться с практическими схемами. Наиболее часто на нем делают генератор низкочастотных импульсов. В некоторых схемах динистор используется просто как пороговый элемент, срабатывающий («открывающийся» при нужном напряжении). Например, на рис. 13.2 показана схема блокиратора второго параллельного телефонного аппарата, если снята трубка на любом из них. В этом случае никто не помешает вашему разговору.

Рис. 13.2. Простейший блокиратор параллельных телефонных аппаратов, выполненный на динисторах

Принцип работы очень простой. Сигнал вызова в телефонной линии имеет большую амплитуду и проходит через открывающиеся динисторы на все аппараты. Но, если снять трубку на любом из аппаратов, то откроется только тот динистор, через который протекает ток удержания (через разговорный узел телефона). При этом в линии напряжение снизится и будет недостаточным для открывания всех остальных, если на них тоже снять трубки.

Главный недостаток динисторов, из-за чего они применяются в схемах чрезвычайно редко, — это невозможность регулировки напряжения включения (порога). Гораздо чаще можно встретить управляемые тринисторы, или, как их еще называют, тиристоры. Тринистор и внешне и по внутренней структуре не отличается от динистора, но имеет дополнительный вывод, называемый управляющим электродом. Вообще, тринистор легко может стать динистором, если на управляющий электрод не подавать никаких сигналов. А вот если между катодом и управляющим электродом включить небольшой источник напряжения G2, как показано на рис. 13.3, напряжение включения начнет снижаться, причем тем больше, чем больше величина напряжения этого источника.

Рис. 13.3. Упрощенное устройство, условное обозначение и вольт-амперная характеристика тринистора (тиристора)

При определенном значении напряжения G2 вольт-амперная характеристика тринистора станет такой, как у полупроводникового диода (он открывается сразу). Управляющий электрод после открывания тринистора теряет свои управляющие свойства. Закрыть тринистор можно уже только так, как это делается у динистора, — уменьшив ток через него ниже тока удержания (это происходит при снижении напряжения).

В качестве примера практического применения тиристора на рис. 13.4 показан простейший регулятор температуры жала паяльника.

Рис. 13.4. Схема регулятора температуры жала паяльника ( а ) и график, поясняющий работу ( б )

Как видно из схемы, тиристор работает только на одной полуволне переменного напряжения(положительной относительно общего провода), а вторая полуволна (отрицательная) проходит в нагрузку через включенный параллельно тиристору диод. Сделано это специально для упрощения схемы — ведь для данного применения нам не нужно регулировать мощность, поступающую в нагрузку, от нуля. Работает тиристорный регулятор довольно просто. Когда начинает возрастать положительная полуволна входного напряжения, стоящие в цепи управляющего электрода резисторы ограничивают ток через управляющий электрод тиристора. От положения регулятора R1 зависит время задержки открывания тиристора (или, как еще говорят, угол открывания), что видно на графике. Конечно, форма напряжения в нагрузке будет уже не синусоидальной, но для нагревателя это значения не имеет. При максимальном значении сопротивления R1 тиристор будет полностью закрыт. Угол открывания можно регулировать в диапазоне, показанном на графике затемненным сектором.

Проверять эту схему лучше при помощи вольтметра постоянного тока, подключенного параллельно нагрузке через мостовой выпрямитель. Тиристор может использоваться любого типа (КУ201, КУ202, Т122), но в этом случае оптимальный номинал резистора R2 придется подобрать экспериментально (он ограничивает ток).

Симистор — это симметричный тиристор, который может работать при обоих полярностях напряжения, то есть пропустить ток в оба направления. Вольт-амперная характеристика и условное обозначение симистора показаны на рис. 13.5.

Рис. 13.5. Условное обозначение и вольт-амперная характеристика симистора

Во всех схемах тиристоры и симисторы применяются как электронные ключи, то есть включатели, управляемые при помощи напряжения, подаваемого на управляющий электрод. Но, в отличие от обычного механического включателя, на электронном ключе в открытом состоянии падает напряжение (около 2 В), что приводит к необходимости использовать для них на больших токах радиаторы теплоотвода.

Общая «беда» всех тиристоров — это невозможность закрыть приборы, находящиеся под током. Управляющий электрод тринисторов и симисторов, как мы знаем, работает только на «открывание». В последнее время, правда, появились так называемые запираемые тиристоры, которые все-таки можно закрыть, подав на управляющий электрод отрицательное (закрывающее) напряжение.

Запираемые приборы более удобны для практики, но радиолюбители тем не менее широко используют и классические тиристоры в автоматах световых эффектов, светомузыкальных установках и др. Тиристоры в этих устройствах включаются последовательно с нагрузкой, и переменное напряжение закрывает эти приборы при спадании до нуля.

Одно из главных достоинств тиристоров — возможность пропускать через себя большие токи и выдерживать десятикратные токовые перегрузки. Например, мощный импортный тринистор ST70 °C20L0 (выпускается фирмой International Rectifier) допускает пропускание через себя тока с постоянным значением до 2000 А и кратковременными перегрузками до 13200 А. Возможности широко распространенных тиристоров серий КУ202 и КУ208 намного скромнее — максимальный постоянный ток до 10 А при максимальном напряжении между электродами до 400 В. Благодаря своей низкой цене эти тиристоры наиболее широко используются в радиолюбительских конструкциях, а в промышленном оборудовании ставят более надежные и мощные из серий Т122-25 (на 25 А), Т132-40 (на 40 А).

Следует запомнить, что некоторые тиристоры не допускают приложения к своим электродам обратного напряжения, а некоторые — его вполне хорошо «держат». В любом случае при разработке конструкции или при подборе аналогов нужно обращать внимание на это обстоятельство. Если под рукой не найдется подходящей замены, можно изготовить диодный мост и исключить подачу отрицательного напряжения на прибор.

Конечно, тиристоры по сравнению с современными транзисторами, работающими в ключевом режиме, обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих их область применения (например, низкое быстродействие, из-за чего не могут работать на частотах более 10…100 кГц), но пока они значительно дешевле и обладают высокой надежностью (намного выше, чем у механического ключа, так как при переключения нет искрения), чем и объясняется широкое использование таких компонентов.

 

Однопереходные транзисторы

В арсенале разработчиков схем присутствует и несколько необычный транзистор, называемый однопереходным (в зарубежной литературе его называют еще двухбазовым диодом). Такой элемент имеет нелинейную выходную характеристику, на которой есть участок с отрицательным сопротивлением, рис. 13.6 (отрицательным называют такое сопротивление, у которого при увеличении напряжения ток уменьшается, т. е. все наоборот по отношению к тому, как должно быть по закону Ома). Это свойство позволяет использовать такой транзистор в схемах генерации импульсов.

Рис. 13.6. Обозначение на схеме однопереходного транзистора и его вольт-амперная характеристика

В качестве примера на рис. 13.7 показан практический генератор на «однопереходнике» вместе с диаграммами напряжений в контрольных точках.

Рис. 13.7. Практическая схема применения однопереходного транзистора ( а ) и поясняющие работу диаграммы напряжений ( б )

Так как обычно частота таких генераторов не выходит за звуковой диапазон, то подключив параллельно с конденсатором С1 пьезоизлучатель, мы можем сигнал услышать (звуковой излучатель с маленьким сопротивлением, например, динамик можно включить вместо резистора R3).

В чем заключается преимущество таких схем по сравнению с генераторами, выполненными на обычных транзисторах или микросхемах? Основных достоинств всего четыре, но зато какие!

Первое, что сразу бросается в глаза, — для выполнения генератора требуется минимальное число дополнительных элементов, к тому же все они могут быть малогабаритными.

Второе преимущество — это способность схемы формировать на выходе импульс с большим током, доходящим до единиц ампер. Такие импульсы нужны для электронного управления некоторыми компонентами, например мощными тиристорами или для запуска автогенератора в импульсном источнике питания (последнее применение можно встретить во многих схемах источников питания отечественных телевизоров).

Третье достоинство — генератор легко синхронизировать с частотой питающей сети, для чего достаточно подать на питание схемы не постоянное, а пульсирующее напряжение (эта возможность часто используется в импульсных регуляторах).

Четвертое: малый ток потребления даже при большом выходном импульсном токе. Чтобы понять, почему так происходит, давайте более подробно рассмотрим работу генератора импульсов. В момент включения схемы транзистор VT1 заперт и происходит заряд конденсатора С1 через резистор R1 до порогового уровня, при котором у транзистора открывается переход эмиттер-база 1 (в этот момент он резко уменьшает свое сопротивление — точка А на графике).

Через открытый переход и нагрузочный резистор R3 конденсатор С1 быстро разряжается, отдавая всю накопленную в течение продолжительного времени энергию. Вместо R3 можно установить управляющую часть оптрона или обмотку импульсного трансформатора. Резистор R2 ограничивает прямой ток через транзистор в то время, когда он имеет открытый переход.

Частота такого генератора определяется по формуле:

где k = 0,22…1,61 — коэффициент, зависит от типа применяемого транзистора и связан с формой его выходной характеристики (рис. 13.6).

 

Знакомство с аналоговыми микросхемами

C простыми усилителями электрических сигналов, построенными на одном-двух транзисторах и некоторых микросхемах, вы уже успели познакомиться и теоретически, и практически по первой книге. Для того чтобы улучшить параметры усилителей сигналов, пришлось схемы усложнять, вводить многокаскадные решения, совмещать разные типы схем, оптимизировать их. В процессе разработок, — а произошло это в конце 50-х гг. XX в. — выяснилось, что возможно заключить несколько транзисторов в отдельный корпус, сделать выводы от нужных точек схемы и предоставить потребителю уже почти готовое устройство, для работы которого достаточно подключать небольшое число дополнительных элементов. Так появились интегральные микросхемы. Их внедрение позволило значительно уменьшить размеры конструкций и снизить их стоимость. Ведь микросхема часто стоит намного дешевле, чем та же самая схема, собранная из дискретных компонентов. Но микросхема — это не простой перенос дискретных элементов в один корпус. Технологически выполнять такое сложно и невыгодно. Во всяком случае времена, когда так делали, уже давно прошли. Обычно на одном кристалле изготавливают специально оптимизированные схемы, в которых можно обойтись без внутренних конденсаторов и с минимальным числом резисторов. Сами резисторы делают как источники стабильного тока на полупроводниках.

Операционные усилители

Сегодня в технике усиления и преобразования сигналов широко используется разновидность универсальных аналоговых микросхем — операционный усилитель (ОУ). Этот вид микросхемы появился в 60-х гг. XX в. и первоначально предназначался для создания аналоговых электронно-вычислительных машин, устройств обработки радиолокационной и гидроакустической информации и других автоматических высокоточных устройств. На основе операционного усилителя были разработаны типовые схемы, благодаря применению которых можно осуществлять простейшие математические операции: сложение, вычитание, умножение, интегрирование, логарифмирование. Современная элементная база позволяет получать точность преобразований до 0,1 %.

Наращивая схемы из таких блоков, как из детского конструктора, удавалось обрабатывать сложные сигналы, преобразовывать информацию, заключенную в них. Ныне любые сигналы подвергают математической обработке уже другими методами, о которых рассказывает глава «Логика для цифрового мира».

А операционные усилители, по сути представляющие собой усилители постоянного тока, до сих пор широко выпускаются, но используются в другом качестве. На их основе можно создавать широкополосные усилители, фильтры, генераторы колебаний разной формы, элементы стабилизации, измерительные усилители и еще множество других интересных устройств. Мы не сможем рассказать о всех применениях ОУ, но основные схемотехнические идеи приведем обязательно.

Классический операционный усилитель изображен на рис. 13.8. Он имеет два входа — прямой (обозначается знаком «+») и инверсный («—» или кружочек на входной линии), выход, выводы питания, — у некоторых есть еще выводы подключения частотной коррекции (FC) и балансировки нуля (NC). Номера выводов корпуса ставятся за пределами основного контура квадрата (треугольника), а внутри квадрата имеется условный знак в виде треугольничка, который и указывает на то, что это микросхема для усиления сигналов (на основе ОУ изготавливают и другие микросхемы, например, компараторы — там условный знак будет другим).

Рис. 13.8. Типовой операционный усилитель (так его часто показывают на электрических схемах, но встречаются и другие обозначения)

На сложных схемах, чтобы не загромождать ее лишними линиями, затрудняющими чтение чертежа, иногда не указывают около корпуса питающие цепи (это бывает обозначено текстом или в виде таблицы).

Внутренняя структура такого усилителя построена на основе дифференциального каскада с несимметричной нагрузкой, подробно рассмотренного в книге 1. Поэтому ОУ и имеет два разных входа. Подав сигнал на прямой вход, мы получим совпадение фаз входного и выходного сигналов; инвертирующий вход «повернет» фазу на 180 градусов (поэтому он инвертирующим и называется).

Операционные усилители обладают высоким коэффициентом усиления напряжения — 104…106 раз — и, если мы подадим на любой из его входов синусоидальный сигнал, на выходе получатся прямоугольные импульсы. Чтобы микросхема работала в линейном режиме, к тому же усиливала входной сигнал не больше и не меньше, чем нам требуется, вводят отрицательную обратную связь. Как это делается, мы расскажем чуть позже.

Во многих «операционниках» имеются специальные выводы для подключения балансировочного резистора (R бал ,), который может задавать постоянный сигнал на выходе микросхемы.

Зачем? Любой реальный ОУ имеет небольшое смещение нуля на входе (единицы или десятки милливольт), и, усилившись, это смещение может превратиться на выходе в значительную величину. Например, для популярного ОУ типа КР544УД2А напряжение смещения составляет 30 мВ, а коэффициент усиления по напряжению — 2·104 (без ООС). На выходе теоретически мы получим постоянную составляющую, равную 60 В, а практически она будет ограничена напряжением питания 15 В. ОУ без обратной связи используются реже, чем ОУ, охваченные ООС но все равно, даже при типичных коэффициентах усиления 10…1000 смещение сигнала на выходе может был довольно большим. Чтобы устранить его, вращают переменный балансировочный резистор.

Рис. 13.9. Принцип работы операционного усилителя

Теперь о частотных свойствах операционных усилителей. ОУ без обратной связи не снижает амплитуду сигнала на выходе только при очень небольших значениях частоты. Затем, — с повышением частоты, усиление начинает падать из-за частотных свойств внутренних транзисторов. На определенной частоте f 1 , называемой граничной частотой усиления, сигнал перестает усиливаться по напряжению, т. е. К U = 1 (см. рис. 13.10), — ее еще называют частотой единичного усиления (именно об этом говорит индекс 1).

Рис. 13.10. Определение частоты граничного усиления

Равномерной полосы усиления добиваются за счет снижения коэффициента усиления (введение обратной связи). Частота f 1  нормируется в справочниках.

Операционные усилители не могут работать без частотной коррекции. Она бывает внешней — тогда на корпусе предусматриваются выводы для подключения конденсаторов небольшой емкости или RC цепей. Современные усилители все чаще используют встроенную коррекцию, когда она оптимизируется на стадии изготовления и встраивается в «операционник». Зачем нужна частотная коррекция? Любой операционный усилитель без частотной коррекции обладает сложной частотной характеристикой и легко может стать генератором колебаний, «завестись». Самовозбуждение усилителей — очень неприятная вещь, борьбе с которой посвящена не одна сотня книг. Только представьте, что ваш УНЧ не слушается регулятора громкости и непрерывно гудит…

Частотная коррекция (рис. 13.11) повышает устойчивость ОУ к возбуждению.

Рис. 13.11. Частотные характеристики нескорректированного ( а ) и скорректированного ( б )

Еще одна интересная характеристика ОУ — скорость нарастания выходного сигнала (V u ). Она указывается в В/мкс, а измеряют ее по форме фронта выходного сигнала, как показано на рис. 13.12.

Рис. 13.12. Определение скорости нарастания выходного сигнала ОУ

На вход усилителя подают так называемый «скачок» — мгновенное изменение уровня сигнала. На выходе сигнал не сразу вырастет до своего максимального уровня, а станет «набирать» высоту постепенно. Чем быстрее «наберет» сигнал свой уровень, тем более быстродействующим считается ОУ.

Из традиционных параметров укажем входное и выходное сопротивления ОУ, а также максимальный входной сигнал. Есть еще один очень важный параметр, называемый минимальным сопротивлением нагрузки. Снижение сопротивления ниже этого уровня может привести к перегрузке ОУ и даже к выходу его из строя (если, конечно, в нем не предусмотрена защита на такой случай).

В зависимости от значения параметров ОУ разделяются на следующие виды:

• общего применения;

• быстродействующие;

• прецизионные (с высокой стабильностью характеристик);

• микромощные (с низким энергопотреблением);

• программируемые (у этих ОУ один или несколько параметров могут управляться специальным внешним сигналом).

В радиолюбительской практике используются ОУ серий К140, КР544, КР574, К1401, К1407, К538, К548, К157 и многие другие, в том числе и зарубежного производства.

Большинство ОУ питается двухполярным напряжением ±15 В, но может питаться меньшим и однополярным. Более того, «операционники», рассчитанные на двухполярное напряжение, могут быть включены на однополярное.

Успешное функционирование электронной схемы в значительной степени зависит от того, насколько хорошо обеспечено питание ее каскадов. Допустим, мы изготовили хороший источник питания, например из опубликованных в первой книге. Но одного только источника мало! Такой ИП обеспечивает только общее питание схемы, а задача распределения напряжения по каскадам лежит на разработчике схемы. Мы уделим внимание питанию операционных усилителей, так как здесь есть несколько маленьких хитростей, которые радиолюбители, да и не только они широко применяют.

Классический вариант питания операционного усилителя показан на рис. 13.13.

Рис. 13.13. Классическая схема питания ОУ от двухполярного источника со средней точкой

Здесь имеется источник двухполярного напряжения ±15 В, и в таком включении работать с ОУ очень просто, в чем вы убедились, изготовив конструкции, приведенные в этой главе. Как говорится, никаких проблем.

Но чаще всего хочется использовать однополярный источник напряжения (как правило, такие источники наиболее распространены в радиолюбительских схемах). В то же время, анализируя параметры известных ОУ, можно сделать интересный вывод — большинство их работает и при пониженном питании, чем это гарантируют технические условия. В таком случае удобно задать искусственную «общую точку» (это так называемая «плавающая земля»), как показано на рис. 13.14.

Рис. 13.14. Искусственная «общая точка» на основе резисторного делителя

Важно отметить, что такая «общая точка» годится для работы с переменными сигналами, и то не более чем для 3–4 ОУ, подключенных к ней. Но в любом случае рекомендуется на минимально возможном расстоянии от выводов питания микросхем и «общей точки» включать керамические конденсаторы небольшой емкости (примерно 0,015…0,1 мкФ) — они на рисунке не показаны. Эти конденсаторы в значительной степени «спасают» схему от импульсных помех по цепям питания. Помогают они, как мы говорили, и в случае взаимного влияния микросхем друг на друга.

Компараторы

Любой операционный усилитель можно превратить в компаратор, если не охватывать его обратной связью. Название этого электронного устройства происходит от английского слова «compare» — сравнение. Отсюда понятна функция компаратора — сравнение двух аналоговых сигналов по величине и выдача информации о том, какой сигнал больше (рис. 13.15).

Рис. 13.15. Принцип работы компаратора

Компаратору не интересны абсолютные уровни сигналов (лишь бы они не превышали максимально допустимых значений), он реагирует только на их разницу. Почему компаратор может получиться из обычного операционного усилителя? Вспомните, как «забрасывает» выходной сигнал даже от небольшого смещения на входе, и все станет ясно. Для работы в качестве компаратора нужно выбирать ОУ с максимальной скоростью нарастания сигнала и с максимальным усилением. Разработаны и специальные микросхемы компараторов, которые оптимизированы именно по скорости нарастания.

Наиболее универсальны и просты в применении популярные микросхемы компараторов К554САЗ или К521САЗ (это практически одна микросхема, но выполненная в равных корпусах, рис. 13.16).

Рис. 13.16. Внешний вид корпусов компараторов К521САЗ , К554САЗ , варианты их обозначения на электрической схеме (выводы для частотной коррекции, если они не используются, то обычно не показываются) и внутреннее строение выхода (в скобках указаны номера выводов для K554CA3 )

У этих конкретных микросхем имеется еще одно достоинство — довольно мощный выход, позволяющий подключать нагрузку с током до 50 мА, к тому же там, в отличие от обычных ОУ, установлен выходной транзистор с неподключенными (открытыми) коллектором и эмиттером, что позволяет, в зависимости от необходимости, включать его по схеме с общим эмиттером или с общим коллектором. Схема с открытым коллектором удобна, когда надо согласовать выходной уровень со стандартным для логических микросхем разных типов (выход с открытым коллектором часто обозначают внутри микросхемы условным знаком в виде ромбика с чертой внизу). Напряжение питания у этих микросхем может быть двухполярным ±15 В или же однополярным от 5 до 15 В.

Не пытайтесь использовать компаратор как операционный усилитель — он совершенно не предназначен для работы в таком режиме!

А теперь поговорим об особенностях применения компараторов, точнее, о путях улучшения их характеристик. Компаратор — это типичная пороговая схема, которая изменяет свое состояние при превышении входным сигналом определенного уровня. Обычный компаратор чаще всего неплохо выполняет возложенную на него задачу, но иногда возникают неприятные ситуации, и вот почему. Допустим, мы подали на его вход медленно меняющийся сигнал, в котором присутствует небольшая высокочастотная пульсация (такое бывает довольно часто), и намереваемся сравнить его с установленным уровнем, называемым пороговым. Тогда близко к порогу переключения компаратора начнутся его переключения с большой частотой — возникает так называемый дребезг — короткие импульсы на выходе (рис. 13.17). С явлением дребезга мы часто сталкиваемся при срабатывании механических контактов, но тут случай особый, не механический.

Рис. 13.17. Дребезг выходного сигнала компаратора под воздействием помех

Увеличить помехоустойчивость компаратора позволяет установка между входами небольшой емкости (10…1000 пФ), но при этом уменьшится и быстродействие срабатывания, а это не всегда допустимо.

Устранить дребезг можно и другим способом, воспользовавшись идеей, реализованной на рис. 13.18.

Рис. 13.18. Введение гистерезиса в компаратор за счет положительной обратной связи

Суть ее состоит в установке разных порогов для переключения микросхемы, как это показано на графике, рис. 13.19 (включение происходит при большем напряжении, чем выключение). Это довольно часто используется в специальных формирователях сигнала, названных триггером Шмитта. Характеристика триггера Шмитта (рис. 13.19, б) с установленными разными порогами переключения называется гистерезисной.

Рис. 13.19. Разнесение порогов срабатывания компаратора ( а ) и передаточная гистерезисная характеристика ( б )

Принцип работы этой схемы (рис. 13.18) таков: поскольку выходное напряжение компаратора, практически равное напряжению питания ОУ, «гуляет» в пределах ±U пит , резистор R3 сдвигает потенциал неинвертирующего вывода то в одном, то в другом направлении, создавая дополнительный ток то через резистор R1, то через резистор R2. Увеличение-тока, как мы знаем, ведет к увеличению падения напряжения, что и сдвигает уровень сравнения. Кроме того, резистор R3 — это положительная обратная связь, которая ускоряет переключение компаратора, быстрее «забрасывает» его в крайние положения.

Отметим, что в цифровой технике, о которой у нас намечен отдельный разговор, широко применяются готовые триггеры Шмитта (резистор ОС уже установлен в корпусе микросхемы). Применяются они и в составе аналоговых микросхем. Например, в драйверных, предназначенных для управления в ключевом режиме мощными полевыми транзисторами MOSFET и IGBT, на входе обязательно имеются формирователи типа триггера Шмитта.

В качестве примера применения компаратора с гистерезисом на рис. 13.20 показана практическая схема, собранная на К521САЗ. Она может служить для автоматического включения вентилятора при повышении температуры в комнате или подвале ниже установленного регулировочным резистором предела (это позволяет уменьшить колебания температуры в помещении). Данная схема довольно универсальна и в зависимости от типа применяемого датчика (фоторезистор, ИК-диод и т. д.) может выполнять разные задачи.

Рис. 13.20. Схема автоматического термостабилизатора на компараторе ( а ) и вариант управления включением мощной нагрузки ( б )

Работает устройство следующим образом. На один вход микросхемы подается опорное напряжение с делителя на резисторах, а на второй — напряжение с делителя, образованного термодатчиком и добавочным резистором. Так как входное напряжение у микросхемы из-за инерционности датчика меняется медленно, чтобы не столкнуться с дребезгом контактов реле (что ускоряет их износ), в схему введена положительная обратная связь (резистор R5), обеспечивающая гистерезис при переключении. Реле подойдет любое малогабаритное, на напряжение срабатывания 9 или 12 В, см. справочный раздел книги.

В качестве термодатчика лучше взять терморезистор из серии СТЗ-19 с любым номиналом (он при нагревании уменьшает свое сопротивление). В зависимости от того, к какому входу микросхемы подключен датчик, реле будет срабатывать при понижении или повышении напряжения на входе.

Аналоговые таймеры

Первые микросхемы интегральных таймеров появились в 1971 г. и были представлены фирмой Signetics Corporation как SE555 и NE555 (у них отличие заключалось только в допустимом рабочем температурном диапазоне: -55…+125 °C и 0…70 °C соответственно — так называемое индустриальное и коммерческое исполнения). В то время это были самые первые широкодоступные микросхемы, которые, благодаря своей универсальности, позволили собирать многие времязадающие узлы радиоаппаратуры с применением минимального числа внешних элементов. Но все же основное назначение микросхем — это формирование точных временных интервалов. Отсюда пошло их название — таймеры.

Внутренняя структура оказалась настолько удачной, что за прошедшие более чем 30 лет эти микросхемы все еще очень популярны и используются во многих устройствах. Под разной маркировкой их выпускают почти все крупные мировые производители электронных компонентов. Отечественная промышленность тоже делает аналоги с маркировкой: КР1006ВИ1, КФ1006ВИ1, ЭКФ1087ВИ2, КР1087ВИ2, КР1441ВИ1 и др.

Все эти таймеры обладают такими достоинствами, как стабильность работы в широком диапазоне питающих напряжений, достаточно мощный выход и дешевизна. При этом выход легко согласуется с любыми аналоговыми и большинством цифровых микросхем (ТТЛ, МОП, КМОП). Несмотря на то, что микросхема называется таймером, благодаря своей структуре она может применяться и во многих других электронных устройствах, например в генераторах импульсов различной формы (прямоугольных, треугольных, пилообразных, модулированных по длительности или частоте), помехоустойчивых повторителях сигнала, триггерах и т. д. В дальнейшем вы сможете познакомиться со всеми этими устройствами по книге [1]. Пока же мы рассмотрим наиболее популярные и простые применения.

Следует отметить, что в настоящее время существует две разновидности таких микросхем: классические (изготовленные на основе биполярных транзисторов) и микромощные (на основе полевых). Микромощные потребляют меньше, но и нагрузочная способность у них по току поменьше 50… 100 мА (к тому же стоят пока существенно дороже). Но, несмотря на разные внутренние принципиальные схемы и технологии изготовления таймеров от различных производителей, все они полностью совместимы по номерам и назначению выводов, что фактически стало стандартом, ну и, конечно, работают аналогично.

Большинство таких микросхем производится в 8-выводном корпусе, показанном на рис. 13.21.

Рис. 13.21. Вид корпуса ( а ) и назначение выводов ( б )

Кроме одиночных 555-таймеров, выпускаются также сдвоенные из серии 556 (два одинаковых таймера в одном корпусе, в котором общими сделаны цепи питания) и счетверенные таймеры, но они менее распространены и доступны по цене. Других отличий от одиночных таймеров эти микросхемы не имеют и работают так же, поэтому мы пока обойдемся одинарными.

Чтобы понять, как работает любая схема, выполненная на основе таймера, давайте более подробно рассмотрим внутреннее устройство классического варианта микросхемы, показанной на рис. 13.22. Приведенные на рисунке диаграммы напряжений в контрольных точках поясняют работу.

Рис. 13.22. Функциональная схема таймера с подключенными внешними времязадающими цепями для работы в режиме автогенератора

На рисунке внутри микросхемы показаны основные узлы:

• два операционных усилителя, работающих в качестве компараторов (1 и 2);.

• RS-триггер (Т);

• выходной усилитель для повышения нагрузочной способности (3);

• ключевой транзистор, имеющий открытый коллектор (V14), его иногда называют разрядным.

Назначение всех выводов микросхемы следующее (в скобках указаны встречающиеся на схемах обозначения):

1 — (GND, — Vcc) общий провод, соединяется с цепью отрицательного питающего напряжения.

2 — (TRIG, Trigger, ST) вход компаратора, который используется для управления переключением выходного напряжения. Пороговым напряжением для переключения триггера является уровень 0,667 от Uп.

3 — (OUT, Output) выход, предназначен для подключения нагрузки с током до 200 мА. Транзисторы выходного усилителя (3) включены по схеме Дарлингтона и обеспечивают напряжение на выходе приблизительно на 10 % меньше, чем уровень питания (+Uп). С этого выхода сигнал можно подавать непосредственно и на входы цифровых микросхем — ТТЛ или КМОП логики.

4 — (RST, Reset) сброс, этот вывод используется для возвращения выхода (3) к нулевому состоянию. Пороговый уровень напряжения сброса меньше или равен 0,7 В (этот уровень не зависит от величины Uп, ток входа должен быть не менее 0,1 мА). Вход сброса обладает приоритетом и устанавливает на выходе низкое напряжение независимо от состояния любых других входов. Когда этот вход не используется, чтобы избежать возможности ложного срабатывания (сброса от помех), рекомендуется его соединять с +Uп.,

5 — (CONT, Control voltage, CN) контрольное напряжение, этот вывод позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания, являющейся опорной для работы верхнего компаратора. Использование данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы. В случае, если вывод управляющего напряжения не используется, для защиты от помех к нему подключают конденсатор емкостью не менее 0,01 мкФ, соединенный с общим проводом.

6 — (THRES, Threshold, SR) вход компаратора, который используется для переключения выхода в нулевое состояние. Это происходит, когда напряжение на входе превысит уровень 2/3 от Uп (нормальное пороговое напряжение вывода 5).

7 — (DISCH, Discharge) вывод коллектора транзистора (V14), эмиттер которого подключен к общему проводу. Состояние этого транзистора идентично состоянию выхода 3, т. е. он открыт (имеет низкое сопротивление), когда на выходе ноль (напряжение насыщения обычно ниже 100 мВ) и заперт (высокое сопротивление — ток утечки не более 20 нА), когда на выходе присутствует напряжение. Обычно он служит для разряда внешнего времязадающего конденсатора. В некоторых применениях микросхемы этот вывод коллектора может использоваться и как вспомогательный выход с нагрузочной способностью по току до 100 мА.

8 — (+Vcc, +Uп) питание, на этот вывод подается положительное напряжение питания в диапазоне от 4,5 до 16…18 В.

На практических принципиальных схемах внутреннюю структуру рисуют довольно редко. Это удобно только для того, чтобы разобраться в работе микросхемы. Чаще всего вы встретите упрощенный вид, например, как это показано на рис. 13.23, где изображена та же самая схема, что и на рис. 13.22, только к выходу D1/3 уже подключена через конденсатор нагрузка — динамик с сопротивлением катушки не менее 50 Ом. Вид нагрузки и место ее подключения зависят от того, что мы хотим получить от таймера, т. е. от его времязадающей цепи. Нагрузкой могут быть светодиоды, ИК-диоды, реле (рис. 13.23, б). А в случаях, когда требуется управлять мощной нагрузкой (например, низкоомным динамиком), потребляющей более 100…150 мА, ставят дополнительный каскад с усилителем на полевом или биполярном транзисторе (рис. 13.23, в).

Рис. 13.23. Схема генератора импульсов ( а ) и разные варианты подключения нагрузки ( б , в )

Частота выходных импульсов определяется по формуле, приведенной на рис. 13.22 (размерность величин для расчета можно брать из табл. 13.1, так как в калькулятор неудобно вводить единицы в фарадах и омах, к тому же с большим числом разрядов может работать еще и не каждый из них).

Давайте рассмотрим, как работает самый распространенный генератор импульсов (называемый еще мультивибратором). Проще всего изучать работу микросхемы, если собрать типовую схему на печатной плате (рис. 13.24).

Рис. 13.24. Печатная плата и внешний вид монтажа

Расположение элементов на ней специально не очень плотное — это позволяет легко модифицировать схему. Например, установить времязадающий конденсатор большой величины и получить генератор сверхнизкочастотных импульсов (мигалку-маяк для аварийных огней или других целей), а так же производить любые изменения в схеме из тех, что будут указаны далее. Так, если вместо резистора R2 установить перемычку, то мы получим одновибратор. Топология платы также предусматривает установку светодиодного индикатора и усилителя мощности на транзисторе (эти элементы на плате показаны пунктиром). Но обо всем по порядку.

Сначала, пожалуй, следует понять, как работает имеющийся в составе микросхемы RS-триггер, — именно с него сигнал поступает на выход. Вообще-то триггеры чаще можно встретить в цифровой технике — так называется логический элемент, который, в зависимости от управляющего сигнала на входах, может переключать выход, к тому же запоминает и хранит это состояние. На выходе может быть одно из двух устойчивых положений — когда есть напряжение, близкое к питающему (лог. 1), либо же оно около нуля (лог. 0). Импульс на входе S (setup — установка) устанавливает на выходе высокий уровень напряжения, а на входе R (reset — сброс) — низкий. Дополнительный инверсный вход R (вывод 4) является приоритетным, а это значит, что при низком напряжении на нем выход триггера устанавливается в «ноль» независимо от других управляющих сигналов.

Управляют переключением триггера два компаратора. В любой практической схеме, собранной на таймере, работающем в режиме формирования импульсов, имеется времязадающий конденсатор, уровень напряжения на котором и контролируют компараторы (как работают компараторы, вы уже знаете из предыдущего раздела). Заряд конденсатора от источника напряжения идет через один или два добавочных резистора (число резисторов зависит от вида схемы). У компараторов имеется два порога срабатывания 1/3 и 2/3 от Uп (т. е. работа схемы не зависит от уровня питания). Разработчики микросхемы позаботились для нас, чтобы чувствительность формируемого интервала времени к изменению питающего напряжения была довольно низкой (обычно не более 0,1 % на вольт). Это значит, что применять стабилизацию питания необходимо только в исключительных случаях:

В генераторе, схема которого показана на рис. 13.22 (13.23), напряжение на конденсаторе как раз и меняется в интервале от 2/3 до 1/3 от Uп, так как в эти моменты срабатывают соответствующие компараторы и происходит переключение режимов заряд/разряд конденсатора. Из схемы видно, что заряд С1 проходит через два резистора R1 + R2, а разряд через более короткую цепь — всего один — R2 (за счет включения транзистора V14). Естественно, в этом случае и длительность у выходных импульсов будет несимметричной.

На рис. 13.25 показаны различные модификации генераторов, обладающие особыми свойствами, например позволяющие получить симметричные импульсы (когда Т1 = Т2, их называют меандром) или импульсы с регулируемой скважностью в широких пределах при неизменной частоте (например, если лампа аварийных огней будет светиться короткими вспышками, это значительно уменьшит потребление энергии).

Рис. 13.25. Варианты генераторов импульсов:

а — меандра; б — с регулируемой скважностью при неизменной частоте

В этих схемах не используется вывод 7, а разряд конденсатора (так же, как и заряд) проходит через выход микросхемы. Такой генератор может быть не только тактовым (задающим частоту) для работы простейшей цифровой схемы или преобразователя, но и применяться для звукового оповещения (создания сигнала тревоги).

Для генераторов, собранных на классических микросхемах из серии 555, максимальная частота импульсов обычно не превышает 200…500 кГц, но современные аналоги, например из серии 7555, позволяют работать с частотой 1,1 МГц, a TLC555 — 2,1 МГц. При этом надо учитывать, что все микросхемы могут работать и на более высоких частотах, чем это рекомендовано производителями, если для вас не нужны гарантии по стабильности частоты и не важно, какие будут завалы фронтов у выходных импульсов (они станут больше похожи на искаженный синус).

Схемы на таймерах можно легко включать каскадно, т. е. друг за другом, когда первая микросхема управляет второй. Это позволяет получать прерывистое, двухтональное или плавно меняющееся звучание. Например, в схеме на рис. 13.26, если частота у генератора D1 значительно более низкая, чем у D2, то в динамике получится двухтональный сигнал.

Рис. 13.26. Каскадное включение микросхем для получения многофункционального генератора

Имеющийся в схеме включатель SA1 позволяет превращать сигнал из двухтонального в прерывистый — генератор D1 периодически отключает работу D2 (путем подачи через контакты SA1 на вход D2/4 уровня логического нуля). Замечено, что прерывистый звуковой сигнал сильнее привлекает внимание и менее утомителен для слуха. Причем частоту повторения сигналов можно регулировать в широком диапазоне. Приведенная схема предусматривает электронное управление включением, т. е. электрическим сигналом (нулем) можно полностью отключить выходную микросхему. В схеме эту задачу выполняет включатель SA2. Если ввести еще один включатель SA3, то с его помощью генератор можно сделать однотональным, так как при этом отключается генератор на микросхеме D1.

Если же у вас нет необходимости устанавливать произвольную частоту повторения, а достаточно и 2 Гц (два сигнала в секунду), то можно воспользоваться более простой схемой, выполненной всего на одном таймере и специальном светодиоде (с прерывистым свечением), рис. 13.27.

Рис. 13.27. Генератор прерывистого звукового сигнала на мигающем светодиоде

Ну а теперь давайте познакомимся с практической схемой одновибратора. На рис. 13.28 показано типовое включение микросхемы для получения на выходе одного импульса заданной длительности.

Рис. 13.28. Таймер для отключения нагрузки через заданный интервал времени

При подаче питания на схему, так как на инверсном входе нижнего компаратора уровень напряжения низкий, внутренний триггер включится, и на выходе (вывод 3) появится напряжение.

Длительность импульса, т. е. время присутствия напряжения на выходе, определяется временем заряда конденсатора С2 до уровня напряжения срабатывания верхнего компаратора (2/3 от Uп). Его легко можно рассчитать по формуле:

Т = 1,1·С·(R1 + … + Rn),

где Т — в секундах, С — в фарадах, R — в омах.

Чтобы была возможность выбирать разные временные интервалы, времязадающих резисторов может быть установлено много и при помощи переключателя коммутироваться нужные (на схеме их показано всего 5). При указанных номиналах интервалы получаются 2, 4, 6, 8, 10 мин. Любую внешнюю нагрузку (зарядное устройство, ионизатор, нагреватель, приемник или что-то еще) отключит группа контактов электромагнитного реле К1.1 — его можно подобрать по справочному разделу приложения. Напряжение питания схемы выбирается в зависимости от номинального рабочего напряжения реле. Кнопка SB1 служит для того, чтобы повторно включить таймер (не выключая питание).

Для монтажа этой схемы можно воспользоваться топологией печатной платы на рис. 13.29.

Рис. 13.29. Топология печатной платы, расположение элементов и вид монтажа таймера (реле использовано типа РЭС47 на 27 В)

Обычно у каждого, кто собирает временной таймер, своя цель, и, соответственно, нужно иметь свои интервалы времени. В этом случае удобно воспользоваться расчетом по приведенной выше формуле. А чтобы получить значение временного интервала сразу в нужной размерности, при выборе величин удобно руководствоваться табл. 13.2. Можно также воспользоваться компьютерными программами для расчета, см. главу «Компьютер в лаборатории радиолюбителя».

Значения времязадающих элементов могут изменяться в широких пределах, и теоретически не существует ограничений на их выбор, но на практике они все же есть (это справедливо и для генераторов). С точки зрения экономичности работы устанавливать R1 меньше 10 кОм нецелесообразно. Практический минимум для С3 приблизительно 95 пФ — при более низких значениях паразитные емкости станут оказывать существенное влияние на точность формируемого интервала. Воспользовавшись этими значениями, можно рассчитать минимальную длительность импульса на выходе — она составит 1 мкс, что получается в 100 раз меньше, чем рекомендуемый минимум (1 мс), но это позволяет иметь большой запас в выборе значений R и С (обычно удобнее бывает сначала выбрать конденсатор из стандартного ряда, имеющий малые габариты, а затем рассчитать резистор).

Верхний предел для резисторов (R1 + Rn) находится приблизительно около 15 МОм, но он должен быть выбран меньше, если необходимо получить у формируемого импульса длительность с точностью не хуже, чем указано в паспорте для микросхемы (обычно 1 %). Верхний предел сопротивления связан со значением входного тока через выводы микросхемы (утечка). Например, при пороговом токе утечки 120 нА это значение получается 14 МОм (когда рабочее напряжение 5 В). Но, так как при формировании больших временных интервалов обычно используются полярные оксидные конденсаторы с большими номиналами, в этом случае их утечку также следует учитывать, поскольку она может быть соизмерима с входной у микросхемы. Иначе при больших значениях R может получиться ситуация, когда в процессе заряда напряжение на конденсаторе не сможет дорасти до порогового значения (2/3 Uп. В этом случае выходной триггер не переключится. Поэтому на практике значение номинала R выбирают с запасом так, чтобы это не могло случиться даже при максимальном технологическом разбросе применяемых деталей. К тому же для получения импульсов большой длительности лучше использовать специальные оксидные конденсаторы с низкой утечкой (танталовые).

Другие аналоговые микросхемы

Этот подраздел может быть очень длинным, а может быть очень коротким. Авторы решили остановиться на втором варианте, поскольку описать все типы специализированных аналоговых микросхем, использующихся в современной технике, просто невозможно. Вот краткий перечень устройств, в которых можно встретить эти микросхемы. Например, в телефонных аппаратах — схемы вызова абонента, усилительные схемы, схемы набора номера. В радиоприемной и телевизионной технике, в частности, в бытовых телевизорах, очень много специализированных аналоговых микросхем. Впрочем, если рассматривать внутреннее устройство этих микросхем, то окажется, что они состоят из дискретных элементов, операционных усилителей, компараторов, таймеров и других схемотехнических блоков. В любом случае, если читатель столкнется с такой микросхемой, ему нужно будет разыскать на нее техническую документацию и разобраться с принципами работы.

 

Микросхемы в практических конструкциях

Знакомство с новой микросхемой у радиолюбителя (да и не только у него) начинается с изучения ее параметров и возможностей. Но этого мало — нужно включить ее так, чтобы она правильно функционировала в схеме, не перегревалась, не выходила из строя. Итак, давайте разберемся со схемами включения операционных усилителей. Чтобы этот раздел не показался скучным и утомительным, мы решили познакомить читателя с простыми практическими конструкциями, но и про теорию также не забыть.

Усилители на ОУ

Мы уже ранее говорили, что операционные усилители в режиме усиления не могут работать без обратной связи. Более того, обратную связь можно ввести так, чтобы заставить ОУ формировать выходной сигнал в фазе со входным, или сдвинуть выходной сигнал на 180 градусов — инвертировать его. Соответственно, широко используются две основные схемы включения ОУ — неинвертирующая и инвертирующая (рис. 13.30).

Рис. 13.30. Схемы включения ОУ:

а — неинвертирующая; б — инвертирующая

Формулы по которым можно определить коэффициент усиления (k и ) каскада приведены на рисунках. Знак «минус» означает инверсию сигнала. Входное сопротивление усилителя по схеме рис. 13.30, а велико и равно входному сопротивлению микросхемы, а входное сопротивление схемы на рис. 13.30, б — равно резистору R1.

А что если в схеме на рис. 13.30, а резистор R1 будет очень большим, а R2 — очень маленьким? Тогда она придет к виду, показанному на рис. 13.31.

Рис. 13.31. Повторитель входного сигнала

Это — так называемый повторитель сигнала, использующийся, как и классический транзисторный повторитель, для согласования источника сигнала и нагрузки. Коэффициент передачи такой схемы:

Кu = 1

Входное сопротивление равно входному сопротивлению ОУ. В случае использования в качестве повторителя микросхемы, построенной на основе полевых транзисторов, входное сопротивление может составлять десятки мегаом, как например, у «операционника» КР544УД1А.

Все перечисленные схемы годятся для усиления как переменных, так и постоянных сигналов. Если требуется усиливать только переменные сигналы, причем начиная с какой-то минимальной частоты, для минимизации постоянного смещения можно не использовать балансировочное сопротивление, а построить схему так, как показано на рис. 13.32.

Рис. 13.32. Схема для усиления переменных сигналов

Тогда для постоянного тока усилитель будет обладать свойством повторителя, а переменный сигнал — усиливается в соответствие с правилами построения неинвертирующих схем.

Давайте сразу же попробуем на практике использовать полученные нами знания. Например, можно «оживить» старый кассетный магнитофон или плеер, когда-то сломанный и теперь пылящийся без дела. Важно только, чтобы механическая его часть, называемая лентопротяжным механизмом (ЛПМ), была целой, да крутился электродвигатель. Если в доме не найдется сломанной звуковоспроизводящей техники, можно купить ЛПМ по совсем смешной цене на радиолюбительском рынке.

В составе любого классического магнитофона есть магнитная головка, которая преобразует магнитное поле в электрический сигнал. Осуществляет это преобразование индукционная катушка. Магнитная головка имеет две независимые катушки для воспроизведения стереофонического сигнала или одну — для монофонических записей. Соответственно, стереофоническая головка имеет четыре наружных вывода, а монофоническая — два. Если в вашем распоряжении окажется стереомагнитофон, можете «оживлять» его в стереоварианте, изготовив два идентичных канала усиления звука, если мономагнитофон — достаточно одного канала. Кстати, магнитную головку можно заменить, приобретя ее все на том же радиорынке. Проверять головку на целостность лучше всего «прозвонкой» выводов тестером, включенным на измерение сопротивления.

В магнитофоне имеется еще одна магнитная головка, называемая стирающей. Конструктивно она выполнена так же, но обладает худшими характеристиками, чем головка записи-воспроизведения. Эта головка в кассетном магнитофоне всегда смещена относительно середины кассеты, и ее нужно отключить или вообще убрать.

Для работы нам понадобится источник двухполярного напряжения ±15 В и практически любой операционный усилитель, например из серии К140 или КР544. Мы будем придерживаться типономинала КР544УД2А. Читатель может также использовать варианты с двухполярным питанием ±2,5 В (К1401УД2А), ±1,2 В (КР1407УД2) или другие низковольтные ОУ. Важно только разобраться в цоколевке микросхемы. И, конечно, необходим УНЧ, например собранный по. одной из приведенных в первой книге схем.

Вначале давайте соберем на макетной плате схему, показанную на рис. 13.33.

Рис. 13.33. Пробный вариант усилителя для магнитофона

Как мы знаем, это — неинвертирующее включение ОУ, причем с достаточно большим коэффициентом усиления (170). Частотная характеристика этого усилителя показана на рис. 13.34 линией «3».

Рис. 13.34. Частотные характеристики канала воспроизведения звука

В чем недостаток такой схемы? Попробуйте включить магнитофон и прослушать звук. Он может оказаться неестественно шипящим, с отсутствием низких частот и хрипами. Первый недостаток мы будем «лечить» чуть позже, а вот хрипы уберем резистором R3 (балансировка), остановив воспроизведение и выставив относительно общего провода сигнал на выходе усилителя как можно более близким к нулевому. Виноват во всем входной ток ОУ, который, усилившись, «загоняет» полезный сигнал близко к напряжению питания.

К счастью, нам не нужно усиливать сигналы постоянного тока, поэтому модернизируем схему так, чтобы избавиться от необходимости балансировать выходной сигнал. Соберем ее по рис. 13.35, пока не устанавливая резистор R1 и конденсаторы С2, С4.

Рис. 13.35. Канал воспроизведения звука с частотной коррекцией

Частотная характеристика приобретет вид «1» (рис. 13.34). Включим протяжку ленты и прислушаемся к звуку. Хрипы исчезли, но сильно «упала» громкость сигнала. Введем элементы R1 и С2 — громкость заметно подросла, хрипы отсутствуют. Теперь по переменному току коэффициент усиления определяется резисторами R1, R3 и R4, а конденсатор С2 «закорачивает» переменный сигнал и не дает проходить постоянной составляющей. Но звук по-прежнему лишен «басов». Введем конденсатор С4, и частотная характеристика приобретет вид «2». Отметим, что начиная с частоты примерно 100 Гц до частоты 3 кГц происходит «завал» коэффициента усиления и затем его стабилизация. На участке стабилизации коэффициент усиления определяется резисторами R3 и R1. Обратите внимание — в этой области частотные характеристики «2» и «3» сливаются в одну линию!

Низкие частоты хуже записываются на магнитную ленту, чем высокие, а значит, чтобы выровнять уровни воспроизведения разных частот, приходится частотную характеристику корректировать, то есть вводить фильтрацию… Но мы забежали немного вперед.

Вернемся к основным вариантам включения ОУ. Очень интересная схема, реагирующая только на разницу напряжения между входами, называется дифференциальной (рис. 13.36).

Рис. 13.36. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель может потребоваться, когда необходимо усиливать очень слабые сигналы в условиях воздействия сильных помех на длинные соединительные провода на входе. Например, можно подключить между входами усилителя фотодиод и использовать его как световой датчик в режиме усиления фото-ЭДС.

Если необходимо просуммировать несколько сигналов, используется инвертирующий сумматор сигналов (рис. 13.37).

Рис. 13.37. Сумматор сигналов

Выходное напряжение схемы определяется по формуле:

U вых = — (U вх1  + U вх2 + U вх3 + … + U вхn ).

Неинвертирующий сумматор получится, если входной сигнал подавать на прямой вход, как это показано пунктиром на схеме.

Сумматоры используются в очень широком классе электронных устройств. Их часто можно встретить в микросхемах управления источниками питания, в усилителях низкой частоты, в других устройствах аудиотехники. Давайте и мы познакомимся с сумматором, изготовив простой микшерский пульт.

Термин «микширование» означает смешивание нескольких сигналов. В данном случае мы будем смешивать аудиосигналы. Где может пригодиться такое устройство? Допустим, вы вернулись из туристической поездки, где снимали на видеокамеру, запечатлели самые приятные события этого путешествия. Вне всякого сомнения, вам захочется сделать фильм — убрать лишние звуки, наложить приятную музыку, где нужно — усилить записанный естественный звук, а где-то — подчеркнуть музыкальное сопровождение. Такая же задача может возникнуть при озвучивании школьного вечера.

Существуют пассивные микшерские пульты, в которых смешивание сигналов осуществляется с помощью резисторных делителей. Эти пульты очень просты в реализации, но ими крайне неудобно пользоваться, так как источники сигналов в таком случае не застрахованы от влияния друг на друга, и это может служить причиной неприятных эффектов. Воспользуемся нашими знаниями, чтобы сделать простой трехканальный микшерский пульт, лишенный этих недостатков. Нам понадобится четыре операционных усилителя типа КР544УД2А, но подойдут и другие. Схема этой конструкции изображена на рис. 13.38.

Рис. 13.38. Активный микшерский пульт

Микросхемы DA1—DA3 включены в режиме повторителей с высоким входным сопротивлением. Они устраняют влияние источников сигналов друг на друга. На микросхеме DA4 собран сумматор с коэффициентом усиления 1. Обратите внимание: конденсаторы С4—С11 выполняют роль блокировочных, то есть устраняют влияние микросхем друг на друга. Устанавливать эти конденсаторы желательно как можно ближе к выводам питания микросхем. В принципе, от них можно и отказаться, но тогда повышается риск получить самовозбуждение какой-либо микросхемы.

Собрать схему можно на макетной плате, используя любые имеющиеся под рукой детали. Если они будут исправными, схема начнет работать сразу. Резисторы R1— R3 лучше использовать движковые, разместив их на одной панели и нанеся на ней деления для удобства пользования микшером. Если появится желание, можно превратить один из повторителей в усилитель и работать со слабыми сигналами. В другом варианте можно сделать резистор R8 переменным и регулировать общий уровень сигнала. Остальные варианты подскажет фантазия и необходимость.

Разные фильтры на ОУ

Названные типовые схемы усилителей представляют собой широкополосные варианты, то есть такие, в которых усиливаются (или передаются без усиления) все частоты входного сигнала. Выходной сигнал появляется в них практически мгновенно (одновременно) с появлением входного. Однако очень часто нужно пропускать не все частоты, а только их часть, как это было необходимо нам в случае магнитофонного усилителя. Для этой цели, как нам уже известно, применяются схемы фильтров:

• фильтры низкой частоты (ФНЧ) — пропускают только низкие частоты и «обрезают» высокие;

• фильтры высокой частоты (ФВЧ) — имеют возможность пропускать только высокие частоты и «срезают» низкие;

• полосовые фильтры (ПФ) — пропускают только частоты в определенной полосе;

• заграждающие фильтры (ЗФ) — пропускают все частоты, кроме частот определенной полосы.

Простейшие фильтры (ФНЧ и ФВЧ), которые можно построить на ОУ, — аналоги RC цепей, обладающие по сравнению с ними улучшенными характеристиками. Эти аналоги RC цепей при подаче на них импульсного «скачка» напряжения могут сформировать линейно нарастающее или спадающее напряжение.

Схема построения интегратора на ОУ и его частотная характеристика приведены на рис. 13.39.

Рис. 13.39. Интегратор на ОУ и его частотная характеристика

Частота среза определяется параметрами элементов R2 и С. Резистор R не участвует в формировании частотной характеристики. Он может вообще отсутствовать или (что лучше) определяться по формуле:

Дифференциатор на ОУ и его частотная характеристика изображены на рис. 13.40.

Рис. 13.40. Дифференциатор на ОУ и его частотная характеристика

С интегратором мы уже встречались, «оживляя» магнитофон. В схеме рис. 13.35 функцию интегрирующей цепи выполняют элементы R4, С4, отсюда мы и наблюдаем спад частотной характеристики на частотах выше 100 Гц.

В реальных схемах интеграторы и дифференциаторы «в чистом виде» используются довольно редко — в основном встречаются варианты, модернизированные под конкретную задачу, дополненные другими элементами.

Теория фильтров на операционных усилителях (так называемых активных фильтров) — это целая наука, которой посвящены отдельные книги. Естественно, мы не сможем рассказать о всех премудростях активных фильтров, так как разработано очень много их видов: фильтры на основе гираторов (эквивалентов индуктивностей), фильтры с управляемыми источниками, фильтры на базе усилителей с общей отрицательной обратной связью, биквадратные фильтры.

Наиболее часто в радиолюбительской практике могут встретиться так называемые фильтры второго порядка на основе структуры Рауха.

Фильтр низких частот второго порядка изображен на рис. 13.41.

Рис. 13.41. Фильтр низких частот второго порядка и его частотная характеристика

Коэффициент усиления фильтра в полосе пропускания определяется по формуле:

Частота среза (в Гц):

Регулировать частоту среза можно резистором R3.

Фильтр высоких частот второго порядка показан на рис. 13.42.

Рис. 13.42. Фильтр высоких частот второго порядка и его частотная характеристика

Коэффициент усиления фильтра определяется по формуле:

Частота среза (в Гц):

Частоту среза этого фильтра удобнее всего регулировать резистором R5.

Спад частотных характеристик фильтров более высших порядков происходит круче, чем у простых интеграторов и дифференциаторов. Следовательно, они лучше фильтруют сигналы. Но схемы этих фильтров оказываются сложнее, что еще раз говорит: ничто даром не дается.

Чтобы закрепить на практике теоретические знания, мы изготовим очень полезный фильтр низких частот 4-го порядка, включив друг за другом два фильтра второго порядка. Этот фильтр пригодится нам для записи стереофонических радиопередач. Конечно, можно обойтись и без фильтра, подав сигнал с радиоприемника непосредственно на вход магнитофона. Но в таком случае существует опасность появления в фонограмме свиста. Кому понравится такой звук, сопровождаемый непрерывным пищанием…

Откуда берется этот «писк»? Быть может, в магнитофоне завелись мыши?

Нет, причина не биологического, а электронного происхождения. Чтобы осуществить передачу стереофонического сигнала по радио, в звуковой сигнал вводят модулирующую частоту 31,25 кГц (отечественный стандарт) или 38 кГц (зарубежный стандарт). Хотя эта частота в радиоприемнике должна быть подавлена фильтрами, иногда, по причине низкого качества фильтрации, она проходит на выход и попадает в тракт магнитофона. Более-менее приличный магнитофон имеет узел высокочастотного подмагничивания при записи, которое значительно улучшает качество фонограммы.

Если модулирующая частота из радиоприемника «встретится» в магнитофоне с сигналом внутреннего генератора на каком-то нелинейном элементе, произойдет умножение частот с выделением разностной составляющей, лежащей в звуковом диапазоне. А уж она-то обязательно запишется на пленку.

Предлагаемый внешний фильтр не даст «просочиться» паразитному сигналу от приемника в магнитофон и в то же время «пропустит» полезный звуковой сигнал. Принципиальная схема одного канала фильтра показана на рис. 13.43, а его частотная характеристика — на рис. 13.44, б. Для стереофонического варианта нужно иметь два канала.

Рис. 13.43. Фильтр низкой частоты 4-го порядка для радиоприемника

Рис. 13.44. Частотные характеристики фильтра для радиоприемника

Чрезвычайно важную задачу выполняют полосовые фильтры. С радиочастотными полосовыми фильтрами нам довелось иметь дело в главе, посвященной радиотехнике, — это колебательные контуры и фильтры сосредоточенной селекции тракта ПЧ. Часто полосовые фильтры нужны и в области частот, слышимых человеческим ухом. Как показывает опыт, в этом диапазоне конструктивные размеры индуктивных элементов становятся громоздкими, и далеко не всегда пригодными к практическому использованию. Выручают операционные усилители, позволяющие построить полосовой фильтр вообще без применения индуктивностей.

Схема самого простого полосового фильтра на ОУ показана на рис. 13.45.

Рис. 13.45. Полосовой фильтр на ОУ и его частотная характеристика

Улавливаете связь между ФНЧ и ФПЧ? Это — тоже фильтр на основе структуры Рауха. Его свойства определяются только расположением резисторов и конденсаторов.

Коэффициент усиления фильтра на резонансе:

Резонансная частота (в Гц):

Ширина полосы пропускания при С3 = С4 = С (в Гц):

Резонансная частота и полоса пропускания — очень знакомые нам характеристики. Резонансную частоту можно в небольших пределах регулировать резистором R2. К сожалению, этот фильтр обладает рядом существенных недостатков: попытка изменения коэффициента усиления приведет к изменению всех остальных параметров. Кроме того, схема обладает повышенной чувствительностью к технологическому разбросу параметров элементов и не позволяет из-за этого строить узкополосные фильтры, которые иногда очень нужны. И все же в радиолюбительской практике такие простые фильтры встречаются.

Повышенной стабильностью (временной, температурной), низкой чувствительностью к допускам номиналов элементов и независимостью настроек основных параметров обладает биквадратный фильтр. Мы приведем только схему биквадратного полосового фильтра, так как он может в наибольшей степени пригодиться радиолюбителю в одиночном варианте. Его схема показана на рис. 13.46, а частотная характеристика повторяет «частотку» полосового фильтра на основе структуры Рауха.

Рис. 13.46. Биквадратный полосовой фильтр

Этот фильтр требует ни много ни мало, а три операционных усилителя, но зато его основные характеристики определяются по простейшим выражениям:

Такой фильтр удобно собирать на микросхемах, в которых размещено в одном корпусе четыре независимых ОУ с общим питанием, например с применением серий К1401, КР1446.

О заграждающих фильтрах мы говорить не будем, поскольку строятся они по специфическим малораспространенным схемам. Основное назначение заграждающих фильтров — постановка «заслона» какой-либо нежелательной частоте сигнала. Например, сильный фон переменною тока частотой 50 Гц можно убрать из сигнала, поступающего на вход усилителя, узкополосным заграждающим фильтром. При необходимости решить такую задачу читатель найдет все необходимые расчетные соотношения и схемы в списке литературы, прилагаемой к этой главе [2–5].

Литература

1. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 5. — М.: СОЛОН-Р, 2002.

2. Быстров Ю. А. и др. Электронные цепи и устройства. — СПб.: Энергоатомиздат, 1999.

3. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. — Л.: Энергия, 1974.

4. Мячин Ю. А. 180 аналоговых микросхем. — М.: Радио, 1993.

5. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. — М.: Советское радио, 1974.