Введение

Переносные компактные контрольно-измерительные приборы, регистраторы данных, которые производят измерения на океанском дне, цифровые модемы, использующие для своего питания «ток удержания» телефонной линии — это только несколько примеров прикладных задач, где желательно (или необходимо) использование технических приемов проектирования маломощных электронных устройств. Среди таких приборов вы часто можете встретить примеры из всех уже рассмотренных разделов этой книги, а именно стабилизированные источники питания, линейные схемы (как на дискретных элементах, так и на ОУ), цифровые схемы (почти неизменно КМОП) и связанные с ними методы преобразования и все в большей и большей степени микропроцессорные схемы значительной сложности. Хотя время от времени мы и рассматривали вопросы потребления мощности и выбирали решения, обеспечивающие компромисс между быстродействием и мощностью (например, при сравнении серий логических микросхем), при проектировании микромощных электронных устройств применяются специальные технические приемы и имеются определенные ограничения. Во всех отношениях для этого требуется специальная глава.

Начнем же мы с рассмотрения такого класса прикладных задач, где желательно или жизненно важно обеспечить малое потребление мощности. Трудно описать все те разнообразные экзотические случаи, где имеется изобилие мощности питания в сети переменного тока, а при этом батарейное питание приборов дает лучшие результаты и более приемлемо. Далее предлагается обзор источников питания, которые имеет смысл применять в маломощных электронных устройствах, начнем же с повсеместно применяемых «гальванических» (неподзаряжаемых) элементов (щелочные, ртутные, серебряные, литиевые) и тесно с ними связанных «аккумуляторных» (подзаряжаемых) элементов (никель-кадмиевые, свинцово-кислотные, «желатиновые» элементы). Мы безжалостно преследовали представителей фирм-изготовителей батарей с целью добывания у них последних новинок технической литературы и, таким образом, мы предлагаем вам действительно очень полезные данные, где дано сравнение батарей по содержанию энергии, характеристикам разряда, влиянию температуры окружающей среды, скорости разряда, условиям хранения и т. д. Наша цель — помочь вам в правильном выборе батареи для вашей прикладной задачи.

Батареи — это не единственные источники питания, которые мы будем рассматривать, далее перейдем к изучению тех «включаемых в розетку» небольших черных пластмассовых модулей, которые поставляются совместно с покупаемыми электронными изделиями. Эти включаемые в розетку блоки замечательны своей дешевизной и представляют собой простые трансформаторы или нестабилизированные источники постоянного тока (трансформатор — выпрямитель — конденсатор) или могут быть полностью законченными стабилизированными источниками постоянного тока; они также могут иметь два или три номинала выходного напряжения. Солнечные элементы полезны в некоторых необычных прикладных задачах, так что мы их также рассмотрим. Наконец, следует упомянуть и об использовании сигнальных токов; для примера укажем протекающий в телефонной линии постоянный ток или переменный ток через реле, обеспечивающее подключение термостата или дверного звонка, от которых можно питать микромощное оборудование.

Затем мы приступим к рассмотрению вопросов разработки маломощных устройств при той же глубине проработки, как и в остальных частях этой книги, сохраняя сходный порядок изучения предмета, а именно, стабилизаторы и эталонные источники, затем линейная схемотехника (на дискретных элементах и ОУ), цифровые схемы и методы преобразования, и наконец, микропроцессоры и память. Известны, кроме того, технические приемы, которые не применяются при типовом проектировании, как, например, «переключение мощности», когда обычная схема выводится из микромощного режима при подаче постоянного тока в течение крайне коротких интервалов времени; например, на регистратор данных с микропроцессора должно подаваться питание в течение 20 мс через интервалы в 60 с. Мы рассмотрим некоторые из таких приемов и укажем странные ловушки, которые ожидают непосвященных.

Наконец, мы расскажем о конструктивном оформлении разработок, а именно, опишем те небольшие пластмассовые корпуса для приборов, которые наиболее широко применяются и заканчиваются черной крышкой для доступа к батареям. Приборы с малым потреблением мощности, как правило, более просты в конструировании, чем обычные приборы, поскольку они более легкие, не выделяют тепло и отсутствуют такие мелочи, как мощные провода питания, линейные фильтры и плавкие предохранители. Микромощное проектирование является особой областью и доставляет много удовольствий изнуренным конструкторам электронной техники. Больше читайте и изучайте разработки по этой интересной теме (хотя часто этим и пренебрегают)!

Нам неприятно говорить об этом, но при первом чтении главу можно опустить.

14.01. Прикладные задачи с малым потреблением мощности

Мы свели вместе большинство аргументов, которые должны побудить вас использовать приемы проектирования схем с малым потреблением мощности. Они указаны здесь в произвольном порядке.

Портативность. Вы не сможете переносить прибор, если он подключен мощным проводом к прикрепленной к стене розетке. «Он» может быть таким коммерческим изделием, как калькулятор, наручные часы, слуховой аппарат, магнитофон или приемник для туристских походов, радиостанция системы поискового вызова или цифровой универсальный измерительный прибор. Или он представляет собой заказной переносной прибор, например небольшой передатчик, используемый для изучения миграций стад животных или их физиологии. Поскольку сами батареи питания имеют ограниченное содержание энергии, необходимо поддерживать ее расход на низком уровне, с тем чтобы обеспечивались разумный срок службы батареи и приемлемый ее вес.

Универсальный измерительный прибор, который функционирует 1000 ч при питании от единственной батареи с напряжением 9 В, будет продаваться лучше, чем конкурирующий прибор, для которого требуются четыре гальванических D-элемента со сроком службы всего 100 ч.

Переносной передатчик для изучения миграций животных бесполезен, если он работает всего два дня на свежем наборе батарей. Следовательно, идеи маломощной схемотехники пользуются наибольшим спросом при проектировании предназначенных для переноски приборов. В специальных случаях, а именно для очень маленьких устройств (например, наручных часов), крошечное содержание энергии в автономных батареях предопределяет необходимость применения приемов микромощного проектирования, так как общие токи потребления составляют всего несколько микроампер.

Изоляция. Приборы, питание которых производится от сети переменного тока, не пригодны для некоторых видов «плавающих» измерений при высоких потенциалах. В качестве примера можно привести следующее: вы хотите измерить микроамперные токи пучка заряженных частиц на зажиме + 100 кВ ускорителя частиц. Считайте, что вам повезло, если вы не сможете провести это измерение при обрыве низковольтового конца от земли (как на рис. 4.79), поскольку сетевой трансформатор высоковольтного источника питания является причиной существенного тока частоты 60 Гц, который с этого трансформатора через емкостную связь попадает в источник высоковольтного напряжения (или возможно из-за коронного разряда или других высоковольтовых эффектов утечки, которые добавляют ложный ток, измеряемый на возвратной шине земли). Если вы попытаетесь создать прибор для измерения тока, питание которого осуществляется от сети переменного тока, скажем, на базе дифференциального усилителя, подсоединяемого через прецизионный резистор в высоковольтный проводник, то сам источник питания вашего прибора должен будет иметь специальный сетевой трансформатор питания с номинальным напряжением пробоя изоляционного материала 100 кВ, так что измерительная схема (ОУ, выводы считывания) может находиться под взвешенным потенциалом 100 кВ. Поскольку такой трансформатор практически невозможно найти, то в этом случае хорошо применить прибор, питание которого производится от батареи (или от солнечных элементов, облучаемых потоком света через зазор) и по сути изолированного и от сети питания, и от шины заземления.

В приведенном примере при питании прибора от сети переменного тока возникла и другая проблема, а именно, при проведении измерений в самой схеме наводятся некоторые пульсации с частотой 60 Гц, что происходит вследствие емкостной связи и просачивания токов частоты 60 Гц через сетевой трансформатор питания. Значит этот сетевой трансформатор питания должен бы быть сконструирован специальным образом, с тем чтобы гарантировать малую межвитковую емкость и малые токи утечки. Эта проблема наведенной пульсации 60 Гц может также неожиданно возникнуть и в обычных схемах, где обрабатываются сигналы очень низких уровней, например слабые звуковые сигналы. Хотя такие проблемы можно обычно решить и путем тщательного конструирования, но развязка с помощью питаемого от батареи предусилителя может дать в таких ситуациях реальное преимущество.

Использование маломощных источников. Наборные устройства, модемы, дистанционные системы сбора данных, которые пересылаются через телефонную линию — это примеры конструкций приборов, которые могут получать питание от тока удержания самой телефонной линии (это постоянное напряжение приблизительно 50 В для режима холостого хода, подаваемое через полное сопротивление 600 Ом; при этом вы должны нагрузить линию таким образом, чтобы постоянное напряжение стало ниже 6 В, а телефонная компания подумала, что вы «подняли трубку» и, следовательно, поддерживала соединение). Подобным же образом в «умных» термостатах систем нагревания часто используют NiCd подзаряжаемые элементы для обеспечения их мощностью постоянного тока, заряд же элементов проводится в течение интервалов времени, когда само реле не активированно имеющимся тогда малым переменным током (обычно трансформатор на переменное напряжение 24 В включается последовательно с катушкой реле с сопротивлением в несколько сотен ом). Тот же самый трюк питания вашей схемы от сигнальных переменных токов можно также использовать в схемах включения дверного звонка и вообще в любом другом случае, где применяются низковольтовые реле переменного тока. Другой пример отбора мощности из сигнального тока представляет использование «тока контура промышленных систем сигнализации», в которых постоянный ток в диапазоне от 4 до 20 мА (или иногда от 10 до 50 мА) применяется как носитель измерений аналогового датчика в двухпроводной системе. Модули, использующие такой стандарт, в типовом случае допускают падение напряжения от 5 до 10 В; следовательно, это удобный способ питания удаленной контрольно-измерительной аппаратуры от самого сигнального тока.

В этих прикладных задачах в распоряжении имеется источник питания, который вырабатывает токи порядка несколько миллиампер и напряжение несколько вольт, что вполне достаточно для питания относительно сложных маломощных схем. Это, конечно, привлекательно попробовать такие приемы проектирования маломощных устройств с питанием от сигнальных токов, предлагая альтернативу громоздким индивидуальным источникам питания от сети переменного тока.

Последним примером источника питания, который предлагает вам мощность в несколько милливатт, являются солнечные элементы, предназначенные для питания приборов и(или) заряда их батарей. Имеются построенные таким образом наручные часы и дешевые карманные калькуляторы, которые имеют следующие преимущества: а) остаются герметичными и б) соответственно недороги.

Отсутствие в распоряжение мощности. Применение батарейного питания действительно становится насущной необходимостью, когда в распоряжении вообще ничего нет. Примером этого может служить физическая океанография, где вам потребуется развернуть набор датчиков на океанском дне и в течение шести месяцев спокойно регистрировать океанские потоки, осадки, процентное содержание соли, температуру и давление и вдобавок изучать особенности воздействия окружающей среды, когда вынесенные приборы регистрации загрязнений расположены в недоступных местах. При этом обычно желательно обеспечить продолжительное функционирование набора батарей, иногда вплоть до года или больше; следовательно, здесь требуется провести тщательное проектирование микромощных устройств.

Существуют и многие другие ситуации, где в распоряжении имеется мощность переменного тока, но использовать ее неудобно. Примерами подобных ситуаций в быту могут служить детекторы задымления и настенные часы.

Минимизация выделения тепла. Схемы, построенные на цифровых элементах серий с технологией ЭСЛ или Шоттки, могут легко рассеивать 10 или более ватт на плату, и аппаратура, состоящая из нескольких таких плат, требует интенсивного воздушного охлаждения. Но с другой стороны, более современные высокоскоростные семейства логических КМОП-схем (с такими названиями, как 14АСхх и 74АСТхх) предлагают рабочие характеристики, сравнимые с их продвинутыми аналогами по Шоттки — технологии, но при незначительном потреблении мощности в статическом режиме и значительно пониженной мощностью потребления в динамическом режиме (рис. 8.19 и 9.2). Это означает возможность применения источников питания меньшего размера, герметичных корпусов, свободных от грязи (так как нет вентилятора), а также большую долговременную надежность. Те же самые соображения применимы и при проектировании линейных схем, при этом малое потребление мощности всегда желательно и об этом помнят почти в любой прикладной задаче, даже когда в распоряжении имеется достаточно мощности.

Непрерываемость. Мгновенное прерывание в подаче питающей мощности часто вызывает начальный перезапуск построенных на микропроцессорах приборов, повреждение компьютеров и др. Чудесным решением этой задачи является использование непрерываемых источников питания (НИП), обычно в виде питаемого от батареи инвертора постоянного тока в переменный с выходным напряжением 115 В и частотой 60 Гц, который способен автоматически подключаться на те несколько миллисекунд прерывания мощности. Имеются в наличии непрерываемые источники питания с номинальными значениями мощности много киловатт. Большие источники дороги и объемисты; однако имеются и компактные блоки, питаемые от небольшой батареи свинцово-кислотных гельных элементов (см. разд. 14.02), предназначенные для систем, которые используют меньше киловатта мощности переменного тока. Для действительно маломощных систем небольшой НИП, который инвертирует или непосредственно использует резервную батарею постоянного тока (как на рис. 1.83), является обычным и хорошим подспорьем при практическом проектировании маломощных устройств.

 

Источники питания

14.02. Типы батарей

Обширное руководство по батареям ("Comprehensive Battery Guide") фирмы Duracell дает перечень из 133 батарей с описаниями таких их типов, как цинко-угольные, щелочно-марганцевые, литиевые, ртутные, серебряные, воздушно-цинковые и никель-кадмиевые. Включены даже их подклассы, как, например, Li/FeS2, Li/Mn02, LiS02, LiSOCl2 и «литиевые полупроводниковые». Другие фирмы-изготовители предлагают герметизированные свинцово-кислотные батареи и батареи гельного типа. Для действительно экзотической прикладной задачи вы могли бы даже принять во внимание топливные элементы или радиоактивные термальные формирователи. Что представляют собой все эти батареи? Как вам выбрать оптимальную для вашей портативной штуковины?

Предлагаемый перечень делится на так называемые гальванические элементы и аккумуляторы. Гальванические элементы спроектированы только для единственного цикла разряда, т. е. они неперезаряжаемые. Аккумуляторы (NiCd, свинцово-кислотные и гельного типа в вышеприведенном перечне) сконструированы так, чтобы быть подзаряжаемыми, в типовом случае от 200 до 1000 раз. Выбор гальванических элементов вы обычно делаете исходя из их химического состава и компромисса между такими параметрами, как цена, плотность энергии, долговечность при хранении, постоянство напряжения в течение разряда, производительность по пиковому току, температурный диапазон и популярность. Поскольку вы уже выбрали правильно батарею по химическому составу, то теперь надо вычислить какая батарея (или последовательное включение батарей) содержит достаточное количество энергии для вашего прибора.

К счастью, достаточно легко исключить из рассмотрения большинство из приведенных в этом каталоге батарей, если придерживаться нашего первого правила, а именно исключить дефицитные батареи. Кроме того, что их трудно достать, они обычно не свежие. Итак, как правило, лучше придерживаться того ассортимента элементов, которые имеются в продаже в любом аптекарском магазине (торгующем лекарствами, косметикой, журналами, мороженным и др.) или, возможно, универсальном магазине фотопринадлежностей даже, если в результате этого получите несколько худшие характеристики, чем при оптимальном выборе. Мы практически рекомендуем использовать широко употребимые батареи при проектировании любого потребительского электронного прибора; к тому же как потребители мы сами стараемся избегать тех недорогих чудес, в которых используются экзотические или дорогие батареи. (Вспоминаете те ранние детекторы задымления, для которых требовалась ртутная батарея с напряжением 11,2 В?)

Гальванические элементы. Теперь подробности. В табл. 14.1 сравниваются характеристики различных гальванических элементов, а в табл. 14.2 и на рис. 14.1 даны реальные параметры наиболее популярных элементов. Старомодный «сухой гальванический элемент» с эмблемой в виде кошки — это элемент LeClanche. Внутренняя его конструкция, как это можно предположить, является достаточно примитивной, а именно состоит из угольного стержня, вставленного в катодную смесь из двуокиси марганца, угля, аммония и хлористо-цинкового электролита. Имеется цилиндрическая прокладка, сделанная из пасты на основе порошкового крахмала, затем цинковый анод, отдаленный от жестяной банки. Верхняя его часть замазана парафином и битумным уплотнителем и сконструирована таким образом, чтобы давать выход газам, если слишком повышается их давление. Эти элементы являются наиболее дешевыми из тех, которые можно купить, но вы не сможете получить многого за ваши деньги. В частности, их напряжение падает, а полное сопротивление постоянно возрастает по мере Проектирование маломощных устройств 187 использования батареи; кроме того, емкость батареи резко снижается, если необходимо обеспечить высокие токи.

Таблица 14.1. Гальванические элементы

Т ип · Д остоинства · Н едостатки

_____________________________________

Т: Цинко-угольный (LeClanche) (стандартный «сухой гальванический элемент»)

Д: Самый дешевый; широко выпускается

Н: Наименьшая плотность энергии (1–2 Вт·ч/дюйм 3 ); спадающая кривая разряда; плох при работе с высоким током; при разряде увеличивается полное сопротивление; плохие рабочие характеристики на низкой температуре

* * *

Т: Цинко-угольный (хлорид цинка) («мощный» сухой гальванический элемент)

Д: Менее дорогой, чем щелочной); лучше LeClanche при высоком токе и низкой температуре

Н: Малая плотность энергии; спадающая кривая разряда

* * *

Т: Щелочно-марганцевый («щелочной» сухой гальванический элемент)

Д: Средняя стоимость; лучше, чем хлористо-цинковый при большом токе и низкой температуре; при разряде сохраняет низкое значение полного сопротивления; среднее значение плотности энергии (3,5 Вт·ч/дюйм 3 ); широко выпускается

Н: Спадающая кривая разряда

* * *

Т: Ртутный

Д: Высокая плотность энергии (7 Вт·ч/дюйм 3 ); плоская кривая разряда; хорош при высоких температурах; большая длительность хранения; низкое и постоянное значение полного сопротивления; напряжение холостого хода 1,35 В + 1 %

Н: Дорогой; плох при низкой температуре (0 °C)

* * *

Т: Оксид серебра

Д: Высокая плотность энергии (6 Вт·ч/дюйм 3 ); плоская кривая разряда; хорош при высоких и низких температурах (до —20 °C); превосходная длительность хранения

Н: Дорогой

* * *

Т: Оксигалогенид лития

Д: Высокая плотность энергии (8 Вт·ч/дюйм 3 ); наивысшая плотность энергии на единицу веса: плоская кривая разряда, превосходен при высоких и низких температурах (до —55 °C); чрезвычайно длительное время хранения (5-10 лет при 70 °C); легкий; высокое напряжение элемента (3 В)

Н: Дорогой

* * *

Т: Литиевый полупроводниковый

Д: Высокая плотность энергии (5–8 Вт·ч/дюйм 3 ); превосходен при высоких и низких температурах (от —40 до 120 °C); невероятно длительный срок хранения (20 лет при 70 °C); легкий

Н: Дорогой; только для малого тока питания

«Мощные» сухие элементы построены аналогичным образом, но при более высоком процентном содержании хлористого цинка и соответственно различными механическими приспособлениями для еще большего выделения газа. Хотя у них общее содержание энергии лишь немного меньше, чем у элементов LeClanche, эти элементы значительно лучше по номинальной производительности даже при работе с высокими токами. Например, D-элемент LeClanche вырабатывает 4,2 ампер-часа (А·ч) на нагрузке 150 Ом, 1,2 А ч — на нагрузке 15 Ом и 0,15 А·ч — на нагрузке 1,5 Ом; аналогичный хлористо-цинковый элемент вырабатывает соответственно 5,6, 5,4 и 1,4 А·ч. Сам хлористо-цинковый элемент также демонстрирует меньшее падение емкости при низких температурах.

Щелочно-марганцевый элемент, как правило именуемый как просто «щелочной», при высоких токах разряда и на низких температурах работает еще лучше. Вывернутый наизнанку, для сравнения с угольно-цинковым элементом, он имеет в середине отрицательный анод из порошкового цинка и электролит из гидроокиси калия, окруженные отдаленным положительным катодом из двуокиси марганца и угля. Для сравнения с вышеприведенными параметрами можно указать, что щелочной D-элемент вырабатывает 10 А·ч на нагрузке 150 Ом, 8 А·ч — на нагрузке 15 Ом и 4 Ач — на нагрузке 1,5 Ом. Вследствие своего особого химического состава, щелочные батареи при разряде обеспечивают малое и медленно увеличивающееся внутреннее сопротивление по сравнению с быстро возрастающим внутренним сопротивлением обоих типов цинко-угольных элементов. Они также лучше работают при низких температурах.

Щелочные батареи имеют большую долговечность при хранении, чем элементы LeClanche или хлористо-цинковые. Как следует из рис. 14.1, кривая зависимости напряжения от степени разряда для всех трех типов батарей дает вам их простую сравнительную оценку. На рис. 14.2 представлены в сравнении рабочие характеристики этих трех типов «сухих гальванических элементов».

Рис. 14.1. Кривые разряда гальванических элементов.

(Эти и последующие рисунки в этой главе взяты из технической литературы по электрическим батареям следующих фирм: Агсо Solar, Duracell, Electrochem Industries, Evercady, Gates, Kodak. PowerSonio, Solavolt и Yuasa .)

Рис. 14.2. Сравнение рабочих характеристик цинковых «сухих гальванических элементов», а — зависимость емкости D-элемента от тока нагрузки; б — изменение напряжения и внутреннего сопротивления D-элемента в процессе разряда; в — зависимость емкости D-элемента от параметров рабочего цикла; г — зависимость емкости от температуры; д — зависимость длительности хранения (10 % потери емкости) от температуры.

Ртутные, окись-серебряные, литиевые — это пользующиеся подлинно большим спросом элементы с особенно высококачественными параметрами по сравнению с щелочными и цинко-угольными. В ртутном элементе используются амальгамированный цинковый анод, катод, состоящий из окиси двухвалентной ртути плюс уголь, и электролит из гидроокиси натрия или калия. Он превосходен с точки зрения стабильности напряжения холостого хода (1,35 В, стабильность порядка 1 %), а также постоянства напряжения в процессе разряда («плоская кривая разряда»); см. рис. 14.1. Он хорошо работает при температуре вплоть до 60 °C, но его рабочие параметры серьезно ухудшаются при температуре ниже —10 °C. Элемент на окиси серебра аналогичен ртутному элементу, но при замене окиси двухвалентной ртути на окись серебра. Он также обладает очень плоской кривой разряда, но обеспечивает более высокое напряжение холостого хода (1,6 В) и обладает улучшенными рабочими характеристиками на низких температурах (до -20 °C).

Литиевые элементы представляют собой новейшую разработку в ряду имеющихся на рынке гальванических элементов, но с несколько отличным химическим составом. Они обладают наивысшей плотностью энергии на единицу веса. Они имеют лучшее исполнение с точки зрения работы на высоких и низких температуpax, а также обладают исключительной долговечностью при хранении при всех температурах. Например, гальванический элемент D-типа с составом литийтионилхлорид (Li/SOCl2) вырабатывает почти в три раза больше энергии (10 А·ч при напряжении на зажимах 3,5 В), чем щелочной D-элемент сравнимых размеров и веса. Литиевые батареи могут работать на температурах, достигающих —50 °C и 70 °C (см. рис. 14.3), при температуре —40 °C они сохраняют 50 % своих возможностей при нормальной температуре, а это температура, при которой другие гальванические батареи вообще прекращают работать.

Рис. 14.3. Зависимость плотности энергии гальванических элементов от температуры.

Литиевые батареи имеют время сохраняемости от 5 до 20 лет при комнатной температуре и могут храниться на складе в течение 1–2 лет при температуре 70 °C, что приводит к высыханию всех других батарей. Они обладают плоской монотонной кривой разряда. Их продолжительное время хранения и напряжение 3–3,5 В делают литиевые батареи идеальным элементом для батарейной поддержки (резервный элемент питания), расположенной на плате КМОП-памяти.

Каждый химический состав литиевой батареи имеет свои собственные специфические особенности. Например, батареи с составом типа литийтрионилхлорид имеют тенденцию развивать пассивацию электрода, которая чрезвычайно поднимает их внутреннее сопротивление, что может привести к «перегоранию» батареи при большом броске тока. Литиевый сернистый ангидрид был причиной взрывов некоторых батарей.

Предупреждение: были инциденты, причиной которых были взрывы литиевых батарей, в некоторых случаях они причинили серьезный персональный ущерб. Предупредив вас об этом, мы не будем отвечать теперь за любые бедствия, которые вам могут принести литиевые батареи.

Аккумуляторы. Для электронного оборудования рекомендуем применять следующие типы аккумуляторов: а) никель-кадмиевые (NiCd) или б) герметизированные свинцово-кислотные. Оба типа аккумуляторов имеют меньшее содержание энергии, чем гальванические элементы (табл. 14.2), но они являются перезаряжаемыми. Никель-кадмиевые элементы выдают напряжение 1,2 В и, как правило, имеют емкость в диапазоне от 100 мА·ч до 5 А·ч и работают при температурах до —20 °C (и вплоть до +45 °C); свинцово-кислотные батареи вырабатывают напряжение 2 В на элемент и, как правило, созданы для обеспечения от 1 до 20 А·ч и могут работать при температурах до -65 °C (и вплоть до +65 °C). Оба типа батарей обладают относительно плоскими характеристиками разряда. Свинцово-кислотные батареи имеют низкие скорости саморазряда и претендуют на сохранение двух третей от начального заряда после годичного хранения при комнатной температуре (хотя наш опыт позволяет быть более скептически настроенными); никель-кадмиевые батареи имеют относительно плохие характеристики по сохранению заряда, в типовом случае теряя половину имеющегося заряда за 4 мес. (вот в это мы верим!) (см. рис. 14.4).

Рис. 14.4. Сохранение заряда в батарее аккумулятора.

Никель-кадмиевый D-элемент обеспечивает 5 А·ч (при напряжении 1,2 В), в то время как свинцово-кислотный D-элемент дает 2,5 А ч (при напряжении 2 В); сравнимый щелочной элемент дает 10 А·ч при 1,5 В.

Как никель-кадмиевые, так и герметизированные свинцово-кислотные батареи претендуют быть хорошими при 250-1000 циклах заряд/разряд (большее значение, если они каждый раз разряжены только частично; и меньшее при полном разряде или быстром проведении цикла заряд/разряд). Никель-кадмиевые батареи имеют общую ожидаемую долговечность хранения 2–4 года, если хранить их при постоянном капельном токе заряда (смотри ниже); долговечность герметизированных свинцово-кислотных батарей поддерживается при постоянном «подзаряживающем» напряжении и составляет 5-10 лет.

Стоит подчеркнуть, что эти перезаряжаемые батареи действительно являются герметичными; они не будут капать или таинственно подтекать ужасными химикалиями. Хотя, как правило, наименование «свинцово-кислотные» вызывает в воображении картины шершавых автомобильных аккумуляторов с разъеденными зажимами и подтекающей кислотой, герметизированные же их разновидности в действительности являются чистыми батареями: вы можете ставить их в любом положении, они не капают и не подтекают и, как правило, ведут себя хорошо. На практике на их основе можно разработать реальные электронные приборы без опасения, что ваша печатная плата превратится в «белую чуму» или дно корпуса, вашего дорогого корпуса, будет покрыто отвратительно пахнущей жидкостью.

Аккумуляторы умирают молодыми, если их не заряжать надлежащим образом. Эти процедуры отличны для никель- кадмиевых и кислотно-свинцовых аккумуляторов. Традиционно определяют скорости заряда через емкость самой батареи в ампер-часах; например, заряд при «С/10» означает подачу тока заряда, равного одной десятой емкости полно заряженной батареи в ампер-часах. Для вышеупомянутого никель-кадмиевого D-элемента он составит 500 мА.

Никель-кадмиевые элементы спроектированы таким образом, что они заряжаются при постоянном токе и выдерживают длительную подзарядку при С/10. Вследствие неэффективностей в цикле заряд/разряд вы должны заряжать при этой скорости в течение 14 ч, с тем чтобы гарантировать полную зарядку; вы можете подумать об этом как о подзарядке самой батареи на 140 %.

Хотя это и хорошо перезаряжать никель-кадмиевые батареи бесконечно при токе С/10, но лучше переключиться на «капельный» заряд в типовом случае при токе от С/30 до С/50. Однако никель-кадмиевые аккумуляторы являются «забавными», а именно обладают эффектом «памяти», так что капельной скорости заряда может и не хватить для восстановления полностью разряженного аккумулятора; в этом случае рекомендуется ток С/20.

Имеются прикладные задачи, когда вы не можете ждать целый день, пока это никель-кадмиевые аккумуляторы подзарядятся. В литературе по таким аккумуляторам дается разрешение заряжать нормальные элементы с более «высокой скоростью» от С/30 до С/10, если вы не делаете это слишком долго. При токе С/3 этим пределом является срок приблизительно в три дня. При таких условиях заряда нужно предусмотреть некоторый отвод газов в отличие от «нормального» режима подзарядки при токе С/10, когда выделяющийся кислород рекомбинирует внутри самого элемента. Существуют специальные «быстро заряжаемые» никель-кадмиевые элементы, спроектированные для заряда при токах от С/1 до С/3 в специальных зарядных устройствах, которые чувствуют условия полного заряда, используя текущий контроль температуры элемента (они имеют такой внутренний химический состав, что при достижении требуемого заряда быстро нагреваются). В отличие от ситуации со свинцово-кислотными батареями вы не можете надежно определить, когда никель-кадмиевый аккумулятор полностью зарядится, используя текущий контроль за напряжением на зажимах, поскольку оно меняется при бесконечно повторяемых циклах, температуре и скорости. Никель-кадмиевые аккумуляторы не должны заряжаться при постоянном напряжении, ни сохраняться «подзаряжаемыми» при фиксированном напряжении.

Вы можете приобрести удобные маленькие зарядные устройства никель-кадмиевых аккумуляторов у нескольких компаний, включая также и самих производителей батарей. Они, как правило, используются для заряда аккумуляторов всех популярных типов (D, С, АА и 9 В). Все никель-кадмиевые аккумуляторы имеют свои собственные патологии. Если вы похожи на нас, то, вероятно, возьмете с собой зарядное устройство для подстраховки от того, что ваш подзаряжаемый калькулятор неожиданно умрет при проведении, скажем, ревизии уплаты налогов. Как показывают графики (рис. 14.5), никель-кадмиевые аккумуляторы имеют эффекты «памяти», так что первый разряд после длительного периода подзарядки может быть плохим. Они являются критичными к подаче напряжения обратной полярности; таким образом, первый элемент, который заряжается, страшно страдает, если их последовательность полностью разряжена. Также никель-кадмиевые аккумуляторы не должны соединяться параллельно. Вы должны найти людей, помогающих различными «змеиными снадобьями», такими, как периодический «глубокий разряд» или ударная терапия в виде электролитического конденсатора большой емкости, разряжающегося через умирающий никель-кадмиевый аккумулятор. Хотя мы и скептически относимся к последнему средству, но периодический глубокий разряд полезен для здоровья никель-кадмиевого аккумулятора.

Рис. 14.5. «Глубокий разряд» восстанавливает «хорошее здоровье» никель-кадмиевой батареи.

Свинцово-кислотные . Эти многоцелевые батареи могут быть заряжены при приложении постоянного напряжения, при условии ограничения тока, постоянным током или используя что-нибудь среднее. При подзарядке ограниченным током и при постоянном напряжении вы подаете фиксированное напряжение (в типовом случае от 2,3 до 2,6 В на элемент); сама батарея первоначально получает высокий ток (вплоть до 2С), который затем падает, по мере того как она заряжается, окончательно достигая значения капельного тока, который и поддерживает саму батарею в полностью заряженном состоянии. Более высокое приложенное напряжение дает вам более быстрый заряд, но ценой большего зарядного тока и уменьшения общего времени жизни батареи. В наиболее простой реализации этого процесса можно использовать 3-контактный стабилизатор, такой, как 317, который обеспечивает питание ограниченным током при фиксированном напряжении. Заряд батареи можно поддерживать бесконечно при сохранении фиксированного «подзаряжающего» напряжения между 2,3 и 2,4 В на элемент (что соответствует капельному току от С/1000 до С/500). На рис. 14.6 показаны характеристики этих режимов. Эти заряжающие и подзаряжающие напряжения имеют мягкую температурную зависимость, которая должна быть отрегулирована на значение — 4 мВ/°С при работе на краях температурного диапазона.

Рис. 14.6. Избыточное подзаряжающее напряжение уменьшает срок службы батарей свинцово-кислотных аккумуляторов.

При подзарядке постоянным током (который не так часто используется) вы подаете фиксированный ток, как правило, от С/5 до С/20; напряжение на батарее по мере ее заряда постепенно возрастает, затем при достижении полного заряда наблюдается резкий его рост. В этой точке (соответствующей напряжению на зажимах 2,5 В/элемент) необходимо уменьшить ток, в типовом случае до фиксированного значения С/500, при котором будет поддерживаться полный заряд батареи бесконечно долго. Герметизированные свинцово-кислотные батареи будут иметь срок службы в течение 8-10 лет, когда их заряд производится при скорости С/500.

Прекрасный метод подзарядки свинцово-кислотных аккумуляторов предлагает так называемая двухшаговая процедура (рис. 14.7).

Рис. 14.7. Рекомендуемый цикл подзарядки батареи свинцово-кислотного аккумулятора («двухшаговый»).

После предварительного «капельного» заряда вы начинаете при высоком токе фазу «объемного заряда», при этом подавая высокий фиксированный ток I макс до тех пор, пока напряжение на батарее не достигнет «избыточного» значения, U изб . Затем это напряжение поддерживается на постоянном уровне U изб при проведении текущего контроля (падающего) тока, до тех пор пока этот ток не достигнет значения «избыточного переходного тока» I изб-перех . После этого вы поддерживаете постоянным «подзаряжающее напряжение» U подзар , которое меньше, чем напряжение U изб . Для 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи с емкостью 2,5 А·ч типовые значения составляют: I макс = 0,5 А, U изб = 14,8 В, I изб-перех = 0,05А и U = 14,0 В. Хотя смысл этой процедуры не очевиден, она приводит к быстрому и без повреждения подзаряду батареи. Фирма Unitrode изготавливает прекрасную ИС, а именно UC3906, которая имеет как раз все то, что необходимо для реализации этого процесса. Она даже включает в себя внутренний источник эталонного напряжения, который следит за температурными характеристиками, свинцово-кислотных элементов и требуется только внешний проходной р-n-р-транзистор и четыре устанавливающих параметры резистора.

Перспективность батарей и основные рекомендации. Как мы и утверждали вначале, это действительно хорошая идея проектировать прибор, используя популярную и легко доступную батарею. В верхней части перечня располагаются 9-вольтовые «транзисторные» батареи, известные под общим обозначением NEDA 1604 (1604 — LeClanche; 1604D — мощные; 1604А — щелочные; 1604М — ртутные; 1604LC — литиевые; 1604NC — никель-кадмиевые). Во всем мире вы можете купить 9-вольтовые щелочные батареи даже в любом отделе продуктового магазина (или открытого рынка).

Операционные усилители хорошо работают при напряжении питания +9 В; вы можете даже использовать ±4,5 В, если применить резистивный делитель и повторитель для формирования потенциала взвешенной «земли» (рис. 14.8; рассматривается дальше в разд. 14.08).

Рис. 14.8. Способ формирования с помощью единственной батареи источника питания с биполярным напряжением.

Существуют чудесные маленькие пластмассовые корпуса для приборов, которые заканчиваются внизу отделением для батареи на 9 В, поставку которых осуществляют многие фирмы-изготовители и по очень привлекательным ценам. Мы рекомендуем все-таки использовать щелочные элементы, а не цинко-угольные, поскольку они обладают улучшенными электрическими характеристиками, как это было показано ранее.

Новая литиевая батарея "Ultralife" фирмы Kodak с напряжением 9 В, которая выглядит как реальный победитель, имеет емкость 100 мА·ч, большую долговечность при хранении (сохраняя 80 % энергии после 10 лет хранения) и плоскую характеристику разряда (рис. 14.9). Разработчики в ней мудро используют 3 элемента, а не 2, так что напряжение на зажимах близко к 9 В, т. е. так же, как и у щелочной батареи. Наши предварительные измерения на ранних выборках показали, однако, в некоторой степени высокое внутреннее полное сопротивление.

Рис. 14.9. Кривые разряда 9-вольт батареи: «литиевая» — 3-элементная батарея "Ultralife" фирмы Kodak.

Семейство щелочных элементов типов АА, С и D имеет большую энергетическую емкость (и соответственно меньшее внутреннее полное сопротивление), чем 500 мА·ч батареи 1604А (в 3, 9 и 20 раз соответственно) и к тому же их легко получить. Но они отчасти менее удобны из-за проблем с хранением и с надежностью соединения при последовательном включении элементов. Каждый из нас замечал, что если потрясти тусклый карманный фонарь, то он обычно начинает светить ярче. Эта проблема связана с тенденцией некоторых разновидностей батарей (щелочных, ртутных) выращивать белый налет на своих зажимах (официально это называется «засаливание»).

Никель-кадмиевые батареи также продаются (хотя и не в каждой аптеке) в стандартных конфигурациях (АА, С, D и 9 В) для тех применений, где с точки здравого смысла обосновано использование аккумуляторов. Но при этом вы получите только около 25–50 % энергетической емкости и уменьшенное напряжение батареи (1,2 В против 1,5 В на элемент у щелочных).

Литиевые батареи имеются в наличии в тех же самых стандартных модификациях, хотя они обеспечивают 3 или более вольта на элемент. Большинство фирм-изготовителей также снабжает их залуженными выводами с целью обеспечения более надежного соединения; это имеет смысл, учитывая их продолжительный срок службы. Литиевые элементы также выпускаются в виде плоской «таблетки» с лужеными выводами, для использования в качестве батарейной поддержки КМОП-памяти или для питания календаря часов. Литиевая батарея на напряжение 9 В имеет прекрасную особенность, а именно позолоченные защелкивающиеся выводы, обеспечивающие более надежное соединение. Посмотрите наши предостережения о склонности литиевой батареи к взрывам.

В большинстве магазинов фототоваров даже маленьких городов вы можете найти широкий подбор ртутных, серебряных и литиевых элементов. Они используются в фотокамерах (и калькуляторах, и часах) и отличаются, как правило, разнообразием «таблеток». В качестве примера можно привести популярный ртутный элемент типа 625, едва ли больше, чем пуговица на куртке, при этом свежий элемент имеет емкость 250 мА·ч. Еще меньший по размеру элемент 76 на окиси серебра (а энергетически он эквивалентен ртутному элементу типа 675) имеет интересную особенность, а именно — это аналог литиевого 3-вольтового элемента (NEDA 5008L) того же диаметра и удвоенного веса, предназначенный для замены пары 1,5-вольтовых элементов. При этом напряжении можно непосредственно обеспечить работу КМОП логических схем, а также питать низковольтовые операционные усилители, такие, как LM10, серии ICL7610 и многофункциональные серии «Линейных КМОП» операционных усилителей фирмы TI (серии TLC251-254) и компараторы (TLC372/4, TLC339/393 и TLC3702/4).

Если же для вашей прикладной задачи требуется подзаряжаемость и высокий пиковый ток герметизированных свинцово-кислотных батарей или какой-либо экзотический вид гальванического элемента, вы должны, как правило, связаться с фирмами-изготовителями этих батарей или их дистрибьюторами. Что касается названий, то такие фирмы, как Gates, Powersonic и Yuasa специализируются по свинцово-кислотным аккумуляторам. Фирмы Duracell и Everyday доминируют на рынке гальванических элементов. Все эти компании предлагают полезные и обширные руководства по применению батарей.

В следующих разделах мы рассмотрим альтернативные источники питания маломощного оборудования, а именно, включаемые в розетку блоки питания, солнечные элементы и сигнальные токи. Важно напомнить, что каждый из этих источников питания можно использовать для зарядки аккумуляторов. Например, популярные «установленные сзади» термостаты, которые на ночь выключают свой нагреватель, используют высокоимпедансный сигнальный переменный ток через реле на напряжение 24 В для зарядки никель-кадмиевых батарей, которые поддерживают работу тактового генератора в течение того периода, когда реле включено (рис. 14.10).

Рис. 14.10. «Устанавливаемый сзади» термостат.

В табл. 14.3 подытоживается наша информация по сравнению параметров различных типов батарей гальванических элементов.

14.03. Включаемые в розетку блоки питания

Калькуляторы, модемы, магнитофоны, телефонные наборные устройства, компактные измерительные приборы и еще множество маломощных устройств попадают к нам вместе с семейством черных квадратных включаемых в розетку блоков питания (рис. 14.11).

Рис. 14.11. Включаемые в розетку источники питания.

(С любезного разрешения фирмы Ault, Inc .)

Хотя маркировка на них обычно предупреждает, что их можно включать только с теми приборами, для которых они предназначены, вы можете приобрести эти блоки (с разнообразными техническими характеристиками) как в крупных, так и в небольших партиях (дистрибьюторы типа фирмы Radio Shack и Digi-Key; каждая имеет на своих складах несколько типов). Лучшие новинки обладают невероятно низкой стоимостью: включаемый в розетку блок питания (9 В нестабилизированного постоянного напряжения, ток 500 мА) стоит в больших партиях приблизительно 2,5 долл.

Включаемые в розетку блоки представляют хороший выбор источника питания для небольших приборов, которые потребляют несколько больше энергии, чем могут обеспечить батареи или для поддержания их подзаряжаемых батарей в заряженном состоянии. Они дешевле, чем встраиваемые в прибор дискретные или модульные блоки питания, и использование их позволяет экономить объем и отводить тепло (и вынести высокое напряжение) за пределами самого прибора. Кроме того, они обычно удовлетворяют требованиям по безопасности UL и CSA, что особенно важно, если вы хотите продавать ваш прибор, не проводя растянутый по времени процесс сертификации.

Включаемые в розетку блоки питания выпускаются в трех разновидностях: простые понижающие трансформаторы, нестабилизированные источники постоянного тока с фильтрами и качественные стабилизированные источники питания (как линейного, так и импульсного типа). Все они выпускаются с широкой номенклатурой напряжений и токов, а стабилизированные источники питания имеют даже полезные сочетания выходных напряжений, например, +5В(1 А)и +15 В (250 мА). Они имеют, кроме того, и обычные свойства интегральных стабилизаторов, а именно ограничение тока и защиту от перегрева. Вы можете заказать их в виде включаемого в розетку блока с тремя штырями (один заземляющий) и различными выходными разъемами; многие из более крупных блоков также выпускаются в виде автономных настольных блоков с кабелем питания от сети переменного тока. Одно слово о предосторожности: имеются нестандартизированные типы разъемов и значения номинальных значений напряжений. Действительно не существует даже стандартизации полярности! Таким образом, без всяких усилий можно сжечь прибор при ошибочном подключении блока к нему. Берегитесь!

Большую серию таких высококачественных включаемых в розетку блоков питания выпускает фирма Ault (Minneapolis, MN). По недорогим блокам питания посмотрите каталоги Condor (Sunnyvale, СА) или Multi Products International (Cedar Grove, NJ). Отметьте галочкой EEM (см. библиографию) адреса и другие фирмы-изготовители.

14.04. Солнечные элементы

Сочетание свинцово-кислотной или никель-кадмиевой батареи с кремниевыми солнечными элементами образует хороший источник питания для приборов с умеренным потреблением мощности, которые должны быть развернуты в удаленных местах и в течение продолжительного периода времени. Например, вы могли бы захотеть использовать бакен, который производит измерения в океане и периодически их передает. Если средняя мощность потребления составляет 1 Вт, то гальванические элементы становятся недопустимо громоздкими (вы должны иметь для употребления 500 щелочных D-элементов в течение года). Полный солнечный свет после прохождения атмосферы доставляет на землю приблизительно 1 кВт мощности на квадратный метр площади; после учета коэффициента полезного действия солнечных элементов (они имеют КПД приблизительно 10 % при работе на надлежащую нагрузку), длительности светового дня и цикличности погоды в средне-северных широтах (где среднее значение 100 Вт/м2 зимой и 250 Вт/м2 летом) вы можете получить среднюю мощность 25 Вт (в июле) или 10 Вт (в январе) на квадратный метр с высококачественных солнечных элементов, которые стоили в 1986 г. приблизительно 800 долл. При ярком солнечном свете такие солнечные модули вырабатывают до 100 Вт на согласованную нагрузку.

С блоком аккумуляторов для хранения энергии (свинцово-кислотные лучше, чем никель-кадмиевые, поскольку они имеют больший срок службы и рабочий диапазон температур) вы можете снимать среднюю мощность почти непрерывно; свинцово-цинковые элементы обладают в типовом случае КПД 70–80 %, и поскольку все факторы (включая погоду) учтены, то вы можете снимать мощность около 8 Вт на квадратный метр (зимой) и до 20 Вт на квадратный метр (летом), в среднем до 24 часов в сутки.

Для маломощных приборов, которые должны работать только при ярком свете, вы можете не включать батарею. Питаемые от солнечного света КМОП-калькуляторы с индикатором на жидких кристаллах являются преимуществом везде.

Вольт-амперные характеристики. Кремниевые солнечные элементы имеют простую и очень полезную вольт-амперную характеристику. Она показывает, что напряжение холостого хода практически не зависит от уровня света и в среднем составляет 0,5 В на элемент; сама же кривая UI — это просто перевернутая характеристика диода (рис. 14.12).

Рис. 14.12. Зависимость выходного напряжения солнечного элемента от тока нагрузки представляет собой просто перевернутую кривую U-I диода.

Типовые солнечные панели состоят из 36 последовательно соединенных элементов при напряжении холостого хода около 18 В. Напряжение на зажимах остается практически постоянным пока ток нагрузки увеличивается вплоть до своего максимального значения, при котором солнечный модуль становится источником постоянного тока, коим и остается при дальнейшем уменьшении полного сопротивления нагрузки. Этот максимальный ток изменяется в линейном масштабе пропорционально уровню света, давая набор характеристических кривых, как это изображено на рис. 14.13.

Рис. 14.13. Зависимость выходных параметров солнечного элемента от освещенности.

( MSVM4011 фирмы Solavolt )

Солнечные элементы работают хорошо при пониженных температурах, поскольку напряжение холостого хода падает при увеличении температуры (рис. 14.14).

Рис. 14.14. Зависимость выходных параметров солнечного элемента от температуры.

( MSVM4011 фирмы Solavolt )

При фиксированном уровне светового потока вырабатывается максимальная мощность, когда в рабочей точке обеспечивается максимальное произведение UI; другими словами, это точка, где кривая UI касается семейства гипербол (постоянное произведение UI), вычерченных на тех же осях. Проще говоря, это излом кривой UI. Поскольку полное сопротивление нагрузки, которое соответствует этому излому, быстро меняется в соответствии с уровнем светового потока, вы не можете надеяться сохранить оптимальное значение нагрузки (которое могло бы быть полным сопротивлением нагрузки, увеличивающимся обратно пропорционально уровню светового потока или другими словами нагрузка, которая отбирает ток пропорционально уровню светового потока при примерно постоянном напряжении). Однако в случае маломощных прикладных задач это не так существенно, что нагрузка отбирает максимальную мощность — собственно говоря это означает, что сама нагрузка записывается при нормальных условиях по световому потоку. Это, например, случай питаемых от солнечных батарей калькуляторов, в которых КМОП-схемы потребляют такой незначительный ток, что имеется резерв мощности, кроме случаев очень низких уровней светового потока. Из-за широкого диапазона напряжений питания «высоковольтной» КМОП ИС 740/4000В (от 3 до 18 В) и того факта, что солнечные элементы имеют напряжение холостого хода, которое относительно независимо от уровня светового потока, вам нет необходимости использовать любые стабилизаторы напряжения; питая КМОП-схему непосредственно от самого солнечного модуля, конечно через шунтирующий конденсатор. Типовой небольшой солнечный модуль, такой, как, например, Solarex SX-2, обеспечивает ток 290 мА при напряжении 8,5 В при солнечном свете и имеет напряжение холостого хода 11В; его можно использовать нестабилизированным для питания высоковольтных КМОП-схем или совместно со стабилизатором для любого семейства логических схем с напряжением питания +5 В.

В любом случае тогда используются аккумуляторы для хранения электрической энергии, при этом стоит отметить довольно хорошее согласование UI характеристик солнечного элемента с требованиями по заряду свинцово-кислотных элементов. Солнечный модуль обеспечивает примерно постоянный ток заряда в разряженной батарее, переходя к режиму постоянного «подзаряжающего» напряжения в конце цикла заряда батареи. Температурный коэффициент напряжения холостого хода (—0,5 %/°С) является приемлемо согласованным с рекомендованным температурным коэффициентом напряжения подзарядки свинцово-кислотных аккумуляторов (—0,18 %/°С). Итак, некоторые изготовители источников питания выпускают солнечные модули, которые предназначены непосредственно для подзарядки свинцово-кислотных аккумуляторов, например М65 фирмы Агсо (2,9 А, 14,5 В). Более же обычный путь — это согласовать солнечные модули с зарядами/подзарядными характеристиками свинцово-кислотных аккумуляторов с помощью схемы последовательного или параллельного стабилизатора, спроектированного специально для этих целей.

Многие солнечные модули и спроектированы для работы в таком режиме, с 20 В напряжения холостого хода и модулем согласующего стабилизатора для зарядки 12-вольтовых аккумуляторов. Стабилизатор переключает режим с зарядки на температурно-компенсированную подзарядку при автоматическом отключении нагрузки, если напряжение на батарее падает слишком низко. Эти системы выпускаются и на напряжения кратные 12 В (24 В, 36 В, 48 В и т. д.), и вы можете приобрести к ним дополнительные принадлежности, такие, как инверторы на 60 Гц (для получения переменного тока) или питаемые от постоянного тока криостаты, чердачные вентиляторы и др.

Некоторые из наиболее известных имен фирм — изготовителей солнечных модулей и систем на них — это Агсо Solar (Chatsworth, СА), Mobil Solar (Waltham, MA), Solarex (Rockville, MD) и Solavolt (Phoenix, AZ).

14.05. Сигнальные токи

He следует забывать и о возможности применения сигнальных токов для питания микромощных приборов. Четыре из наиболее общих благоприятных возможностей осуществления этого (см. рис. 14.15): а) постоянный ток удержания, протекающий в телефонной цепи, т. е. в режиме «поднятой трубки» (ответ абонента), б) напряжение переменного или постоянного тока, поступающее с релейной схемы, когда она не потребляет энергию, в) постоянный ток 4-20 мА, используемый в промышленной системе сигнализации с токовым контуром и г) последовательный порт RS-232 с биполярными сигналами «квитирования установления связи» (RTS, DSR и др.).

Рис. 14.15. Питание прибора от сигнальных токов: четыре структурные схемы, а — ток удержания телефонной линии; б — ток через катушку реле; в — ток контура от 4 до 20 мА; г — сигналы интерфейса стыка RS-232.

В первых двух структурах ваш источник мощности присутствует только часть времени - мощность пропадает, когда телефонная трубка повешена (режим «опущенной трубки») или когда релейная схема питается от вашего прибора. Если же вам мощность требуется постоянно, необходимо использовать перезаряжаемые аккумуляторы, заряд которых происходит только в течение периода присутствия мощности; для очень маломощных по току нагрузок альтернативой является использование «двухслойного» конденсатора с высоким значением емкости (вплоть до 5 Ф), аналогичный тип конденсатора используется и для сохранения содержимого КМОП-памяти.

Каждый из этих источников мощности имеет довольно строгие ограничения по податливости напряжения или по максимальному току. Далее приводятся их характеристики и некоторые рекомендации по поводу такого паразитного использования этих источников питания.

Питание от телефонной линии. Существует несколько различных состояний, в которых телефонная линия может находиться в зависимости от того в каком положении находится ваш телефонный аппарат и какие мероприятия проводит телефонная компания. Центральная телефонная станция (или эквивалентная соседняя) прикладывает различные постоянные (и переменные) напряжения к контактам двухпроводной телефонной линии (обозначенные как «штырь» и «кольцо») в течение различных этапов установления соединения (рис. 14.16).

Рис. 14.16. Режимы функционирования и испытания телефонных систем.

В незанятом состоянии линии центральная станция телефонной компании прикладывает —48 (±6) В постоянного напряжения, подаваемого через последовательный резистор с сопротивлением от 500 до 2500 Ом в контакт «кольцо», и нагружает линию через контакт «штырь» на землю через резистор с сопротивлением от 0 до 710 Ом. Кроме того, в типовом случае имеется вплоть до 1300 Ом внешнего линейного сопротивления между центральной телефонной станцией и вами («абонентом»). Когда вы поднимаете трубку, центральная телефонная станция переходит в режим набора номера, при этом вырабатывается тональный сигнал готовности, прикладывается постоянное напряжение от —43 до —79 В через последовательно включенный резистор 200 ±50 Ом к контакту «кольцо» и производится замыкание контакта «штырь» на землю через такое же полное сопротивление. Аналогичные постоянное напряжение и полные сопротивления источника присутствуют и в разговорном режиме (т. е после того, как соединение установлено), хотя телефонная компания может, и это их право, изменить полярность прикладываемого к контакту «кольцо» постоянного напряжения. Естественно, в режиме переговоров в линии также присутствуют накладываемые на это постоянное напряжение звуковые сигналы, передача которых и является основной задачей телефонии!

Существуют два других состояния линии. Во время звонка (вызова) телефонная компания подает сигнал частотой 20 Гц и среднеквадратичным значением 86 ± 2 В, сверх обычных —48 В постоянного смещения. Как и это постоянное напряжение вызывающий сигнал переменного тока прикладывается к контакту «кольцо». Официальные требования по вызову следующие: тональные посылки длительностью 2 с с интервалами 6 с. Во время режима испытания телефонная компания подает различные сигналы постоянного и переменного тока, с тем чтобы иметь уверенность, что линия функционирует надлежащим образом. Они могут подавать постоянные напряжения в диапазоне —165 + +202 В и переменные напряжения вплоть до 45 В среднеквадратичного значения между любой парой жил (кольцо, штырь, земля) в режиме положенной трубки и вплоть до 54 В постоянного тока от источника с полным сопротивлением 10 Ом в режиме снятой трубки.

Телефонная компания также регламентирует диапазон наводимых грозовыми разрядами «высоковольтных выбросов напряжения», которые вы можете обнаружить на своих телефонных линиях. В типовом случае они достигают нескольких тысяч вольт при токе в несколько сотен ампер; оборудование, подключенное к телефонной линии, должно иметь устройства подавления этих переходных процессов, так чтобы пережить эти импульсы. Кроме того, телефонная компания точно обозначает и «очень высоковольтные выбросы напряжения», которые могут возникнуть при очень близком ударе молнии. При этом могут наводиться напряжения до 10 кВ и токи до 1000 А и идея защиты состоит в том, чтобы, даже если ваше оборудование поджарится, никто не должен пострадать. Таким образом, технические требования устанавливают, что само оборудование не должно разлетаться в куски, вызывать возгорание или убивать кого-нибудь током.

Допустимые нагрузки точно устанавливаются в терминах «индекса эквивалентности вызывного звонка» (REN). Обычные телефонные аппараты имеют REN порядка 1,0 А, что соответствует следующим параметрам: а) в режиме опущенной трубки сопротивление по постоянному току 50 МОм, а полное сопротивление по переменному току устанавливается выше заданной кривой зависимости полного сопротивления от частоты (соответствует поддержанию |Z| > 125 кОм в диапазоне частот от 4 Гц до 3,2 кГц, хотя оно и может быть существенно ниже на определенных частотах и напряжениях), б) в режиме поднятой трубки характеристике по постоянному току, которая задается внутри приемлемого диапазона, указанного на рис. 14.17 (или которое измеряется как 200 Ом или меньше), и в) импеданс в режиме поднятой трубки, который составляет приблизительно 600 Ом в диапазоне частот от 200 Гц до 3,2 кГц (что, как правило, определяется через коэффициент отражения, при условии подачи сигнала от источника с внутренним сопротивлением 600 Ом и составляет по крайней мере 3,5 дВ в диапазоне от 200 Гц до 3,2 кГц и 7 дБ — в диапазоне от 500 Гц до 2,5 кГц).

Рис. 14.17. Допустимые условия по нагрузке в телефонной линии в режиме «поднятой» трубки. Незаштрихованная область доступа, спустя 1 с после поднятия трубки.

(Из Bell System Tech. Ref., Pub. 47001.)

Подключаемые к телефонной линии нагрузки должны быть по постоянному току изолированы от шины земли (50 МОм в режиме опущенной трубки и 250 кОм в режиме поднятой трубки). Общий REN допускается в пределах вплоть до 5,0 А, т. е. полное сопротивление нагрузки составляет 1/5 от выше приведенных значений. Сама телефонная компания требует уведомлять ее о вашем общем увеличении REN нагрузки. Из предварительно приведенных данных следует, что абонент не должен претендовать на получение тока в режиме опущенной трубки и минимальное мостовое сопротивление по постоянному току 50 МОм (для REN равного 1,0 А) является существенным техническим требованием по утечке - 50 МОм соответствуют току 1 мкА. Тем не менее при тщательном проектировании и подборе элементов вы можете поддержать КМОП-схемотехнику (цифровую или аналоговую) в состоянии покоя при токе в несколько микроампер, и иметь ее «проснувшейся» при снятии телефонной трубки. Используйте небольшой танталовый электролитический конденсатор (или «двухслойный» конденсатор энергетической поддержки памяти, имеющийся в крошечных корпусах и с емкостью до 5 Ф), для сохранения состояний, в течение набора номера или других переходных процессов. В разговорном режиме при поднятой трубке вам гарантируется постоянное напряжение 6 В (7,8 В спустя несколько секунд) при минимальном токе в 26 мА (см. рис. 14.17), который достаточен для функционирования большинства из микромощных схем; это вполне сравнимо с питания от батареи на 9 В.

С помощью микромощного стабилизатора с низким падением напряжения на нем, такой, как LP2950 (80 мкА ток покоя, 0,4 В падения напряжения при 100 мА тока в нагрузке), вы можете обеспечить питание цифровых схем от стабилизированного источника питания напряжением 5 В, как это показано на рис. 14.18. Если вы можете быть уверены в получении регулярных циклов функционирования в режиме поднятой трубки, то можно использовать имеющийся избыточный ток для поддержания подзаряжаемых батарей в заряженном состоянии. Например, если у вас имеется час режима поднятой трубки в течение дня, вы постоянно можете отбирать приблизительно миллиампер тока.

Рис. 14.18. Стабилизированный источник питания на сигнальном токе в режиме поднятой трубке (элементы защиты не показаны).

Предупреждение. Перед тем как приступить к проектированию любого прибора с непосредственным подключением к телефонной линии, будьте уверены в получении уместных технических характеристик. Вы должны удовлетворять требованиям устава ФКС (федеральная комиссия связи), который включает процедуры испытания и сертификации. Не принимайте на веру, что технические характеристики, предлагаемые в этой главе, являются корректными.

Релейные схемы. Те популярные «установленные сзади» термостаты, которые убавляют нагрев ночью и включают его снова за полчаса до вашего подъема, используют небольшую мощность переменного тока, которую можно отвести от релейной схемы без замыкания самого реле. Типовые механические реле управления потребляют ток в 100 мА или более при номинальном переменном напряжении на катушке 24 В и можно рассчитывать, что они останутся в разомкнутом состоянии при 10 % от этого нормального тока через катушку. Таким образом, вы можете получить 10 мА или около того при почти 24 В переменного напряжения для питания вашего прибора. Не забудьте включить подзаряжаемые элементы (или возможно конденсатор для сохранения содержимого памяти, если это все, что требуется), поскольку источник питания пропадает, когда замыкаются контакты подключения реле к источнику питания. На рис. 14.10 дана иллюстрация этой идеи.

Промышленные токовые контуры. В промышленных условиях существует стандарт для токовых контуров системы сигнализации, в которых удаленный датчик (скажем, термопара; см. разд. 15.01) передает свои измерения посредством преобразования их в аналоговый ток, который тогда протекает в контуре.

Постоянное смещение этого контура обычно обеспечивается на приемном конце (рис. 14.15, в). Существуют два стандарта, а именно полномасштабные диапазоны от 4 до 20 мА и от 10 до 50 мА. Стандарт 4-20 мА является более популярным и обычно использует постоянное смещение в 24 В (хотя иногда и выше). Для упрощения часто желательно использовать ток сигнализации для питания расположенных на удаленном конце электронных схем. С этой целью вы можете использовать напряжение смещения в контуре для организации системы питания.

Имеющиеся коммерческие модули для системы токовых контуров, как правило, требуют, чтобы получатель данных обеспечивал максимальное сопротивление нагрузки R и минимальное постоянное смещение U см , такие чтобы (U см — 12 B)/R см было равно полномасштабному току. Другими словами, удаленный модуль может давать падение напряжения на себе вплоть до 12 В несмотря на то, что прикладывается полномасштабный ток контура. Конечно, сам модуль должен сохранять работоспособность, когда посылается в контур ток, соответствующий минимальному выходному сигналу. Итак, нижней границей является то, что вы уже имеете в наличии, т. е. по крайней мере напряжение 12 В при токе 4 мА для питания вашего оборудования; вы можете получить и больше, но не следует рассчитывать на это. Это избыток для даже более сложных схем, если вы тщательно проведете практическое микромощное проектирование.

Сигналы последовательного порта RS-232 . Сам стандарт RS-232C/D определяет двухполярные сигналы данных и управления с существенной нагрузочной способностью (см. разд. 10.19); вы можете использовать один из сигналов управления (или даже сигнал данных) для питания маломощной схемы.

Официально выходной сигнал должен быть способен формировать уровни напряжения от ±5 до ±15 В на сопротивлении нагрузки от 3 до 7 кОм. Формирователи сигналов стыка RS-232 в общем случае, как правило, имеют выходное полное сопротивление в несколько сотен ом при ограничении по току в пределах от 5 до 15 мА. Для того чтобы подключить паразитное устройство к этому источнику питания, вы должны модифицировать свое программное обеспечение так, чтобы поддерживать заданную линию управления в известном (и стабильном) состоянии. Вы можете использовать даже пару управляющих линий, если они доступны, для получения двухполярного источника питания (+5 В, мин.). Напомним, что сигналы управления (RTS, DTR и др.) поддерживаются на ВЫСОКОМ уровне, который является обратным по отношению к сигналам данных.

Поскольку имеется обычно изобилие коммерческих источников переменного тока вокруг компьютера, вам по существу не следует делать любые сверхестественные ухищрения для высасывания «жизненных сил» из 25-контактного D разъема стыка. Однако для простой схемы последовательного порта — это элегантный источник питания. Вы можете приобрести коммерческие интерфейсы и модемы, которые работают таким образом.

 

Выключение источника питания и микромощные стабилизаторы

14.06. Выключение источника питания

Вы можете приспособить самые обычные микропроцессоры, стабилизаторы и другие энергопотребляющие компоненты для микромощного использования, если режим работы прибора допускает выключение его питания (или перевод схемы в состояние потребления малого опорного тока) большую часть времени и только время от времени он работает при полном токе. Например, регистратор океанографических данных должен производить 10-секундный залп наблюдений (температура, давление, соленость, океанские течения) единожды в каждый час за шестимесячный период. Только часы реального времени должны функционировать постоянно, при этом схемы согласования уровней аналоговых сигналов, микропроцессоры и средства записи данных выключены, кроме режима реальной регистрации данных.

Даже если вы и воспользуетесь техническими приемами микромощного проектирования, вы можете быть вынуждены использовать некоторые сильноточные приборы, например, если вам требуется задействовать высокоскоростные преобразователи или сильноточные исполнительные механизмы. Вам может потребоваться ввести в схему некоторые специализированные цифровые схемы на БИС, операционные усилители, фильтры или другие схемы, которых просто не существует в микромощном исполнении. Во всех этих случаях необходимо отключать источник питания от сильноточной части самой схемы, кроме того времени, когда она должна функционировать.

Такое «выключение источника питания» может представлять собой наиболее простую форму микромощного проектирования, поскольку традиционные технические приемы проектирования на обычных элементах можно использовать повсюду. Но вы должны быть уверенным, что ваша схема «проснется» элегантно (линейная схема должна быть спроектирована таким образом, чтобы исключались затруднительные кратковременные состояния, например переход выходных цепей в режим насыщения; полностью выключенная микропроцессорная схема обычно потребовала бы выполнения процедуры «холодной загрузки»). Естественно, сама схема должна быть спроектирована так, чтобы и выключение ее проводилось аккуратным способом.

Существует несколько приемов проведения такого выключения питания (рис. 14.19):

1. Если отключаемые элементы потребляют ток меньше чем 5 мА или около того, вы можете питать их непосредственно с выходов логических КМОП-схем. Серии НС/НСТ могут обеспечивать ток питания 5 мА, при этом падение напряжения составит только 0,5 В относительно положительного напряжения питания; для формирования более высоких токов можно включать несколько выходов параллельно. AC/ACT серии КМОП хороши при токах до 24 мА.

2. Используйте мощный транзистор, функционирующий как ключ с насыщением (а не повторитель), с целью минимизации прямого падения напряжения (следовательно, транзистор р-n-р-типа, в случае использования источника питания с положительным напряжением). Необходимое возбуждение на базе, выбираемое умеренно большим для обеспечения гарантированного насыщения, хотя и является недостатком, однако же будет, вероятно, меньшим злом, чем сам ток, потребляемый коммутируемой схемой.

3. Используйте мощный полевой МОП-транзистор. Как и в случае биполярных транзисторов, он используется в качестве ключа, а не повторителя (таким образом, при положительном напряжении питания это транзистор с p-каналом). Полевыми МОП-транзисторами легко управлять и в любом состоянии у них отсутствует ток затвора.

4. Большинство маломощных стабилизаторов имеют вход «выключения»; этот опорный режим характеризуется очень низким током покоя (см. разд. 14.07). Вы можете провести включение источника питания, переведя такой стабилизатор в активное состояние.

5. Используйте механическое реле, возможно, реле с механической фиксацией воздействия. Сейчас имеется много их разновидностей, как в DIP-корпусах, так и в крошечных металлических корпусах, и все они обеспечивают нулевое падение напряжения, высокую нагрузочную способность и возможность коммутировать двухполярные (или даже переменные) напряжения. Кроме того, для реле с механической фиксацией воздействия не требуется тока удержания. Для повышения надежности схемы используйте диод защиты управляющей цепи реле от индуктивных выбросов (рис. 1.95).

Рис. 14.19. Методы выключения источника питания.

Ограничение тока. Вследствие двух причин всегда важно ограничить пусковой ток в схеме с выключаемым источником питания: высокие пиковые токи, которые могут возникать в нагрузке (зашунтированной конденсатором) при переключении батареи (зашунтированной аналогичным образом), могут вывести из строя сам ключ; это верно даже и для небольших механических реле, контакты которого, вероятно, в большинстве случаев окажутся сваренными. Кроме того, мгновенное падение напряжения батареи в течение переходного процесса из-за переключения большого тока может привести к тому, что в энергозависимой памяти и других схемах, которые находятся в режиме резервирования, произойдет потеря информации (рис. 14.20).

Рис. 14.20. Пусковой ток может вызвать пропадание напряжения батареи в течение переходного процесса.

Некоторые подходы к решению этой проблемы показаны на рис. 14.21.

Рис. 14.21. Четыре способа борьбы с переходным процессом пускового тока.

На то время, пока сам ключ подвержен влиянию переходного процесса, включается выполненная на диоде развязка отрицательного провала в напряжении питания от стабилизаторов поддержки, как это сделано в варианте 1. С другой стороны, можно провести выключение перед стабилизатором с ограничением тока (сохраняя малое значение его входного шунтирующего конденсатора), как в варианте 2, или установить сам ключ после стабилизатора (вариант 3). Последний способ не совсем хорош вследствие ухудшения электрической жесткости источника питания, вызванного сопротивлением ключа R вкл .

Другой способ заключается в использовании предварительного ограничения тока, т. е. до выключения (вариант 4), в этом случае при ограничении тока на уровне 150 мА предотвращается резкий спад напряжения U бат .

14.07. Микромощные стабилизаторы

Вплоть до последнего времени было трудно найти интегральный стабилизатор напряжения, который бы при токах покоя микроамперного диапазона обеспечивал существенные выходные токи. Была альтернатива: либо а) стабилизатор 7663/4 фирмы Intersil, либо б) строить свой собственный! К счастью, ситуация улучшается. Далее приводится обзор текущего состояния дел: ICL7663/4; МАХ663/4/6 (фирма Intersil; вторичные изготовители фирма Maxim и другие). Это — многополюсные стабилизаторы на положительное и отрицательное напряжения с рабочим диапазоном напряжений 1,5-16 В и максимальным током покоя 10 мкА. Неприятная их особенность — это то, что они медленно действующие (вследствие «заморенного» сервоусилителя и использования множества шунтирующих емкостей) и хороши только при токах в нагрузке порядка нескольких миллиампер (будучи КМОП-приборами, они плохо действуют при более высоком входном напряжении); например, при входном напряжении +9 В их выходное полное сопротивление составляет, как правило, 70 Ом.

LP2950/1 (фирма National). Это — стабилизаторы положительного напряжения, которые выпускаются в 3-контактном корпусе на напряжение +5 В (2950) и в 8-контактном корпусе с регулируемым напряжением (2951). Ток покоя составляет 80 мкА (при отсутствии тока в нагрузке) и возрастает до 80 мА — при токе нагрузки 100 мА. В этих стабилизаторах используются проходные p-n-p-транзисторы, которые обеспечивают низкий перепад напряжения (80 мВ макс, при токе 100 мкА; 450 мВ макс, при токе 100 мА) и спроектированы таким образом, что ток покоя не повышается стремительно, когда входное напряжение опускается ниже этого перепада напряжения (общая болезнь стабилизаторов на крутизне биполярного транзистора). Эта последняя их особенность, в частности, полезна для питаемых от батареи приборов, которые могут продолжать функционировать и при низком напряжении батареи. В стабилизаторе 2951 имеется вход выключения и выход детектора перепада напряжения.

LT1020 (фирма Linear Technology). Это — многополюсной стабилизатор положительного напряжения с током покоя 40 мкА, диапазоном выходного напряжения 2,5-35 В и максимальным током 125 мА. Проходной транзистор p-n-p-типа дает низкий перепад напряжения (20 мВ тип. при 100 мкА; 500 мВ тип. при 125 мА). Имеется вход выключения и выход детектора перепада напряжения.

TL58 °C (фирма Texas Instruments). Это — сдвоенный микромощный импульсный стабилизатор с диапазоном выходного напряжения 2,5-24 В и током покоя 140 мкА. Как и все импульсные стабилизаторы, он обладает высоким КПД (вплоть до 80 %) во всем диапазоне напряжений батарей и гибкостью, а именно возможностью формирования выходных напряжений, превышающих само нестабилизированное входное напряжение.

Серия МАХ630 (фирма Maxim). Это — микромощные импульсные стабилизаторы с прекрасными возможностями по выбору параметров. Стабилизатор МАХ630 представляет собой регулируемый (от 2 до 18 В) повышающий стабилизатор положительного напряжения (т. е. U вых > U вх ), в то время как ИС МАХ634 является инвертирующим импульсным стабилизатором (т. е. положительное входное напряжение и отрицательное выходное напряжение). Стабилизаторы М АХ631-3 — это повышающие импульсные стабилизаторы на фиксированное положительное напряжение (5, 12 и 15 В), при этом стабилизаторы МАХ635-7 его инвертирующие эквиваленты. Стабилизатор МАХ638 представляет собой регулируемый понижающий импульсный стабилизатор на положительное напряжение (U вых  < U вх ). Все они способны обеспечивать выходные токи в несколько сотен миллиампер, токи покоя приблизительно 100 мкА и КПД приблизительно 80 %.

Серия МАХ644 (фирма Maxim). Эти микромощные импульсные стабилизаторы спроектированы для формирования выходного напряжения +5 В при питании от одно- или двухэлементной батареи. Его умные конструкторы используют как состоящий из двух частей импульсный повышающий преобразователь: одна секция функционирует непрерывно, обеспечивая выходное напряжение +5 В с малым значением тока (0,5 мА); он также вырабатывает постоянное напряжение +12 В, необходимое для переключения полевого МОП-транзистора, используемого для формирования выходного напряжения +5 В, но с высоким значением тока (вплоть до 50 мА). В опорном режиме (только низкий уровень выходного тока) ток покоя составляет 80 мкА. Сам стабилизатор МАХ644 спроектирован для работы при номинальном входном напряжении 1,5 В и функционирует при падении входных напряжений до 0,9 В.

Кроме того, существуют особые «маломощные» стабилизаторы (78L05, LM330, LM317L, LM2930/1), которые характеризуются токами покоя в несколько миллиампер. Они полезны для приборов с внешними источниками питания, такими, как, например, солнечные элементы или на токе удержания телефонной линии. Также нельзя не указать на возможность использования микромощного источника эталонного напряжения, а не стабилизатора, если его напряжения вас устраивают. Например, микросхема REF-43 фирмы PMI представляет собой трехконтактный источник эталонного напряжения 2,5 В с током покоя 250 мкА и прекрасными характеристиками.

Загляните в табл. 14.4 (в которую мы также включили вышеописанные стабилизаторы), где приведены характеристики большинства из имеющихся микромощных стабилизаторов.

Источники питания на отрицательное напряжение. За исключением стабилизаторов ICL7664/MAX664, все остальные линейные микромощные стабилизаторы рассчитаны только на напряжения положительной полярности (хотя стабилизатор LT1020 можно использовать для создания биполярного источника питания). Если же вам необходимы источники отрицательного напряжения, то существует (кроме хилого 7664) несколько возможностей, а именно: а) кристалл конвертера напряжения с «летающим конденсатором» типа 7662; б) дискретная реализация конвертера напряжения с летающим конденсатором, где используются комплементарные мощные МОП-транзисторы; в) конвертер напряжения, использующий кристалл КМОП-генератора типа 7555 (это КМОП 555) или выходной сигнал любого КМОП логического вентиля, на который подается прямоугольное колебание; г) импульсный источник питания, с индуктивным хранением энергии или д) использование единственного источника положительного напряжения, где с помощью операционного усилителя формируется опорное напряжение шины взвешенной земли между шиной земли и самим положительным напряжением питания. Давайте рассмотрим их по очереди:

1. Интегральная схема 7662 (и ее предшественник 7660) представляет собой КМОП-схему, выпускаемую фирмой Intersil и еще более широко вторичными фирмами-изготовителями (см. разд. 6.22). В ее состав входят генератор и КМОП-ключи (рис. 6.58) и с помощью нескольких внешних конденсаторов вы можете сформировать напряжения либо — U пит , либо +2U пит при питании от положительного напряжения U пит . Подобно большинству КМОП-приборов, она имеет ограниченный диапазон напряжений питания; для схемы 7662 напряжение U пит может лежать только в диапазоне от 4,5 до 20 В (от 1,5 до 10 В — схема 7660). Ее выходной сигнал нестабилизированный и он значительно падает при токах нагрузки больше чем несколько миллиампер.

Несмотря на эти недостатки, она может быть очень полезной в специальных условиях, например для организации на плате местного питания формирователей сигналов стыка RS-232C, которые в этом случае работают на единственном источнике питания 4–5 В. Схемы МАХ680 и LT1026 представляют собой биполярные источники питания, которые формируют напряжения ±10 В (вплоть до 10 мА) из напряжения +5 В (рис. 6.60). Существует также комбинация из конвертера напряжения и формирователей/приемников сигналов стыка RS-232, выполненная в виде единственной интегральной схемы, а именно серии LT1080 и МАХ-239. Если для вашей прикладной задачи требуется стык RS-232, то вы можете использовать для питания ваших аналоговых электронных приборов источник биполярных напряжений, формируемый одним из этих интегральных формирователей стыка RS-232.

2. Для формирования большего отрицательного напряжения вы можете применить дискретные МОП-транзисторы в схеме с летающим конденсатором (рис. 14.22). Этот частный пример характеризуется током холостого хода в несколько микроампер и максимальным током вплоть до 30 мА.

Рис. 14.22. Диcкретный конвертер на отрицательное напряжение с летающим конденсатором.

3. На рис. 14.23 показан более простой метод, снова отчасти ограниченный по диапазону напряжений, основанный на использовании КМОП-кристалла таймера 7555. Вы можете питать схему 7555 от источника положительного напряжения в диапазоне от 2 до 18 В, таким образом формируя напряжения вплоть до —15 В или около того. С помощью умножителя напряжения (см. разд. 1.28) вы можете, конечно, формировать и более высокие напряжения с соответственно худшей стабилизацией. Если в вашей схеме имеется несколько логических КМОП-схем, то можно использовать выходной сигнал КМОП-вентиля, а не схему 7555. Однако если используются высококачественные семейства КМОП-схем, такие, как НС/НСТ или AC/ACT, то вы ограничены в размахе логического сигнала напряжением 5 В, в то время как более старые схемы серий 4000 или 74С допускают размах напряжений 15 В, хотя и при меньших токах.

4. Как мы объяснили в гл. 5, с помощью индуктивного накопления энергии, вы можете построить импульсные источники питания, у которых выходное напряжение больше входного или гораздо меньше, или даже может быть отрицательным, при этом обеспечивается КПД в 75 % или около того независимо от входного напряжения. Это очевидно полезно при проектировании микромощных устройств, где само нестабилизированное постоянное напряжение может сниматься с батарей, напряжение которых падает по мере их использования. Микромощные импульсные источники питания могут быть спроектированы таким образом, что они сохраняют высокий КПД даже при снятой нагрузке (в отличие от обычных импульсных источников с высокими значениями тока), при этом используется цепь, которая перекрывает генератор до тех пор, пока выходное напряжение не упадет, в этой точке он вырабатывает единственный заряжающий импульс, затем засыпает снова. На рис. 14.24 изображен источник питания с напряжением +5 В, сконструированный на маломощной интегральной схеме МАХ631.

Рис. 14.23. Формирователь отрицательного напряжения из положительного прямоугольного колебания.

5. Вам может и не потребоваться отдельный источник отрицательного напряжения, даже если вы и используете операционные усилители с биполярным размахом выходного сигнала и др. Например, вы могли бы сформировать опорное напряжение земли +4,5 В (используя резистивный делитель и микромощный повторитель на ОУ) для схемы, построенной на операционных усилителях при питании ее от единственной батареи 9 В. Давайте рассмотрим этот метод более подробно.

14.08. Опорное напряжение земли

Для питания большинства из рассмотренных с гл. 3 схем на операционных усилителях обычно используются источники с симметричным напряжением 15 В, что связано с гибкостью обработки сигналов, близких к потенциалу земли. Однако, как мы уже установили в разд. 4.22, можно использовать только единственный источник питания, формируя некоторое опорное напряжение, которое подается вместо потенциала земли обычных биполярных источников питания схем на ОУ. Если же в качестве источника питания используется батарея, то появляется дополнительный стимул упрощения ситуации, когда предпочтительнее использовать единственную батарею с напряжением 9 В.

Наиболее легкий способ формирования аналоговой «общей» шины состоит в том, чтобы расщепить напряжение батареи с помощью резистивного делителя напряжения, а затем использовать микромощный повторитель на ОУ, который обеспечит низкое полное сопротивление этой общей шины. Для внешнего мира эта общая шина представляет собой «землю» с плавающими обоими концами самой батареи, см. рис. 14.8.

Для поясняющей эту идею схемы мы выбрали программируемый КМОП операционный усилитель 3440, работающий при токе покоя 5 мкА. Необычно большие номиналы резисторов в делителе дают малый вклад в ток потребления, емкостное шунтирование делителя позволяет поддерживать низкое значение полного сопротивления в средней точке, которая в противном случае была бы чувствительна к фону переменного тока и перекрестным помехам из-за частотной интерференции других сигналов. Схема 3440 — это хороший выбор для этой прикладной задачи, поскольку позволяет формировать значительные втекающие и вытекающие токи (вплоть до нескольких миллиампер), даже когда ее смещение составляет 1 мкА; это свойство присуще не всем программируемым ОУ, многие из которых имеют плохие характеристики по вытекающему току, когда они функционируют на микромощных уровнях. Например, интегральная схема LM346, функционирующая при токе 5 мкА, может выдавать ток только 0,1 мА, хотя втекающий ток может достигать 20 мА (посмотрите рис. 14.32).

Рис. 14.24. Маломощный импульсный стабилизатор на напряжение 5 В (КПД = 74 %).

(Из технических данных на ИС МАХ631 фирмы Maxim )

Следует отметить, что само опорное напряжение не обязательно должно составлять половину напряжения батареи; может быть лучше расщепить напряжение питания несимметрично, с тем чтобы обеспечивался максимальный размах выходного сигнала. (Пример этого приводится в разд. 14.12.) В некоторых ситуациях может быть предпочтительнее сместить его на фиксированное значение от напряжения питания, возможно с помощью прецизионного микромощного источника эталонного напряжения. Тогда само напряжение питания относительно опорного напряжения общей шины будет стабилизированным.

Выходное полное сопротивление. Существует несколько ситуаций, в которых вам даже не требуется устанавливать ОУ для формирования опорного напряжения земли. Например, если это опорное напряжение подается только на входы ОУ (которые были бы подключены к шине земли в обычной конфигурации с биполярным источником питания), то в этом случае шунтированный высокоомный резистивный делитель, обеспечивающий низкое полное сопротивление в частотном диапазоне сигнала, будет обычно удовлетворительным решением. Однако, как правило, источник, формирующий потенциал шины земли, должен характеризоваться низким полным сопротивлением, как на постоянном токе, так и на частотах сигнала. Например, некоторые ИС могут использовать общую шину в качестве источника отрицательного напряжения питания; она может использоваться как общая точка подключения фильтров нижних частот, цепей смещения, нагрузок и др. Взгляните на любую нормальную схему с биполярным источником питания и вы найдете постоянные и сигнальные токи как втекающие в шину земли, так и вытекающие из нее. Как и в приведенном выше примере, надо быть уверенным в том, что ОУ, который вы выбрали для формирования опорного напряжения земли, обладает надлежащими характеристиками по формированию втекающего и вытекающего тока, как того требует сама схема. Для микромощных операционных усилителей характерно высокое выходное полное сопротивление при разомкнутой петле обратной связи (рис. 7.16), так что на высоких частотах (где отсутствует значительное петлевое усиление) полное сопротивление шины земли может возрастать до нескольких тысяч ом.

Очевидное средство избавиться от этого - шунтирование опорного напряжения земли (рис. 14.25, а), но это, вероятно, вызовет переходные процессы в виде «звона» или даже генерацию из-за запаздывающего фазового сдвига цепи, состоящей из самого шунтирующего конденсатора в сочетании с относительно высоким выходным полным сопротивлением операционного усилителя, которая входит в петлю обратной связи. На рис. 14.25, б показано еще одно средство, а именно развязывающий резистор в несколько сотен ом, который, однако, приводит к увеличению сопротивления на постоянном токе, поскольку он не входит в петлю обратной связи. Добавив еще два элемента, как на рис. 14.25, б, можно обеспечить обратную связь по постоянному току (через сопротивление R 2 ) и в то же самое время стабильность.

Рис. 14.25. Шунтированные формирователи расщепленного напряжения питания.

Какой бы из методов вы не выбрали, будьте уверены в нем, а для этого проведите испытания при различных условиях по нагрузке, т. е. для установившегося и переходного режима. Хороший способ испытания поведения в переходном режиме — это наблюдение формы напряжения при прикладывании нагрузки, величина которой изменяется низкочастотным «прямоугольным» образом. Некоторые ОУ (например, НА2725 и МС3476) могут выдавать сигнал непосредственно в большую емкостную нагрузку без проблем по стабильности; по-видимому, в этих случаях сам внешний конденсатор отображается на внутренний корректирующий конденсатор, опрокидывая доминирующий полюс в компенсации по типу «грубой силы». Однако во многих случаях более желательно свернуть пару соседних запаздывающих фазовых сдвигов, которые влекут за собой неприятности.

Следует отметить, что при выборе номинала шунтирующего конденсатора нужно учитывать некоторые тонкие моменты: для наведенных всплесков фиксированной инжекции заряда в узел опорного напряжения земли (т. е. фиксированное произведение ампер-секунда) большему номиналу шунтирующего конденсатора будет соответствовать переходной шумовой процесс в шине земли меньшего уровня, но с большим временем восстановления, чем при небольшом конденсаторе (рис. 14.26). Для низкоскоростной схемы с высоким коэффициентом передачи такое медленное экспоненциальное восстановление может быть хуже, чем появление в выходном сигнале безвредных маленьких пичков.

Рис. 14.26.

При проектировании схем формирования опорного напряжения земли нельзя не рассмотреть выходы источников эталонного напряжения, которые иногда присутствуют в других интегральных схемах. Например, таймер LM332 вырабатывает стабильный выходной сигнал напряжением 3,15 В. Другие кристаллы, которые имеют внешние контакты для подключения к источникам внутреннего эталонного напряжения, — это аналого-цифровые преобразователи, преобразователи напряжение-частота (например, схема 331 со своим эталонным напряжением 1,89 В) и кристаллы, подобные LM10, которые имеют источник эталонного напряжения 200 мВ, усилитель и к тому же неизрасходованный ОУ. На рис. 14.27 показаны некоторые схемы буферных источников эталонного напряжения.

Рис. 14.27. Буфферные источники эталонного напряжения.

14.09. Микромощные источники эталонного напряжения и датчики температуры

Большинство источников эталонного напряжения на стабилитронах и на запрещенной зоне являются относительно мощными и не пригодны для использования в микромощных схемах. Как следует из табл. 6.7, большинство трехполюсных источников эталонного напряжения функционируют при токе порядка миллиампера и большинство двухвыводных источников эталонного напряжения на стабилитроне также ориентированы на аналогичные рабочие токи.

К счастью, имеются некоторые источники эталонного напряжения, предназначенные специально для микромощных прикладных задач. Серия LM385 состоит из программируемого двухполюсного источника эталонного напряжения на запрещенной зоне (LM385, 1,24-5,30 В) и двух источников фиксированного эталонного напряжения (LM385-1,2, 1,235 В и LM385-2,5, 2,5 W). Эти модели с фиксированным напряжением предназначены для функционирования при токах до 10 мкА с динамическими полными сопротивлениями в 1 Ом при токах соответственно 40 и 100 мкА. Минимальный ток программируемой версии лежит в пределах от 10 до 40 мкА в зависимости от напряжения. Все версии предлагаются с температурными коэффициентами до 3·10-5 °С. Стабилизаторы ICL7663/4 (разд. 14.07) можно использовать в качестве трехполюсных эталонных источников с типовым значением тока покоя 4 мкА и динамическим выходным полным сопротивлением около 2 Ом. Схема ICL8069 представляет собой двухполюсный эталонный источник на запрещенной зоне, который функционирует при токе до 50 мкА (где динамическое полное сопротивление составляет 1 Ом) с температурным коэффициентом, доходящим до 5·10-5 °С. Схема AD589 имеет аналогичные характеристики, но с улучшенным температурным коэффициентом (до 10-5 °С). Схема LT1004 фирмы Linear Technology подобна схеме LM 385-1,2, в то время как LT1034 представляет собой сдвоенный двухполюсный эталонный источник (1,2 В и 7,0 В) с минимальными рабочими токами 20 мкА и температурным коэффициентом 2·10-5 °С для источника с напряжением 1,2 В; эталонный источник с напряжением 7 В мог бы работать при токе 100 мкА (мин.), что скромнее, чем у эталонных источников на запрещенной зоне.

Трехполюсный источник эталонного напряжения при повышенных токах обеспечивает лучший температурный коэффициент и выпускается с напряжениями 5, 6,2 и 10 В (точность 0,05 %). Он потребляет ток 300 мкА, имеет низкое значение выходного полного сопротивления в диапазоне частот, и характеризуется температурными коэффициентами, достигающими 10-5 °С. Даже еще лучше схема REF-43 — трехполюсный эталонный источник положительного напряжения 2,5 В, имеющий точность установки 0,05 % и температурный коэффициент 3·10-6 °С (макс). Он имеет низкое значение Z вых (0,1 Ом), прекрасный коэффициент стабилизации (2·10-6/U вх макс), выходной ток до 10 мА и ток покоя 250 мкА макс. В табл. 14.5 дан перечень имеющихся в настоящее время микромощных источников эталонного напряжения.

Наконец, существуют микромощные интегральные схемы, которые производят преобразование температуры в ток или напряжение. ИС AD590 и АБ592 — это двухполюсные источники тока, которые запускаются напряжениями от 4 до 30 В и вырабатывают ток в 1 мкА/°К (т. е. 298,2 мкА при 0 °C). Схема LM334 работает аналогичным образом, но у ней имеется вход программирования для установки коэффициента преобразования; ее рабочий диапазон от 1 мкА до 10 мА. Схемы LM34 (фирмы Fahrenheit) и LM35 (фирма Centigrade) представляют собой трехполюсные датчики температуры с выходом по напряжению (следовательно, 0 В при 0 °F или 0 °C и соответственно 10 мB/°F или °С) и током покоя 100 мкА.

Схема LМ335 — это двухполюсная интегральная схема на стабилитроне с напряжением точки пробоя 10 мВ/°К (т. е. 2,982 В при температуре 0 °C), функционирующая при токах до 400 мкА. Для получения дополнительной информации по данному вопросу обратитесь к разд. 15.1.

Технические приемы проектирования микромощных линейных схем. Таким образом, мы уже рассмотрели источники питания, технические приемы выключения источника питания, стабилизаторы и эталонные источники, предназначенные для проектирования микромощных приборов. Сейчас, следуя дальше по темам, мы в оставшейся части книги рассмотрим вопросы проектирования линейных и цифровых схем. Начнем же с примера линейной схемы на дискретных элементах (микромощный усилитель звуковых частот с высоким коэффициентом усиления), затем перейдем к техническим приемам разработки на микромощных ОУ. Затем последуют разделы, посвященные проектированию цифровых и микропроцессорных схем, и наконец, некоторые соображения по компоновке маломощных приборов.

14.10. Проблемы проектирования микромощных линейных схем

В основном проектирование маломощных линейных схем означает работу с малыми токами коллектора (стока) и соответственно с большими значениями коллекторных (стоковых) резисторов. Это приводит к тому, что доминирующим становится влияние емкостей, которое проявляется как в виде эффекта Миллера, так и в виде нормального спада частотной характеристики RС-цепи. Вы часто прибегаете к техническим приемам, которые обычно характерны только при конструировании радиочастотных устройств, например применение каскодных (разд. 2.19) эмиттерных повторителей и последовательно-параллельной пары (разд. 13.07). Транзисторы диапазона радиочастот (с частотой f T порядка 1 ГГц или выше) могут быть хорошим выбором даже и на низких частотах вследствие их крайне малой емкости обратной связи С ос ; например, транзистор MRF931 имеет С ос = 0,35 пФ при U кэ = 1 В и предназначен для использования в диапазоне до 1 В и 0,1 мА (f T = 3 ГГц при I = 1 мА и U кэ = 1 В). Несмотря на такие параметры, как эти, он еще дает выигрыш при работе, когда это возможно, на низких рабочих частотах, например на частотах синхронизации микропроцессорных или других цифровых КМОП-систем.

Другие нежелательные эффекты при работе в режиме с малым потреблением мощности связаны с увеличением уровня шумовой перекрестной помехи (из-за относительно высокого полного сопротивления источников сигнала), уменьшением нагрузочной способности (малые значения рабочих токов, высокие полные сопротивления) и относительно высоким шумовым напряжением транзистора е ш (тепловой шум в относительно высоком сопротивлении r э ; см. разд. 7.13). Эта последняя проблема также присуща микромощным источникам эталонного напряжения; будьте готовы проконтролировать их шумовые параметры. Даже при использовании эмиттерных повторителей выходные полные сопротивления могут быть чрезмерно большими (r э = 25 кОм при I к = 1 мкА).

Как правило, желательно обеспечить функционирование при низких значениях напряжения, поскольку при этом соответственно уменьшаются значения коллекторных резисторов при том же рабочем токе. Кроме того, при том же коллекторном токе мощность снижается пропорционально напряжению источника питания.

14.11. Пример проектирования линейной схемы на дискретных элементах

Давайте представим себе, что необходим малошумящий усилитель звуковых частот с огромным коэффициентом усиления (по крайней мере 80 дБ) и малым током потребления в статическом режиме, предназначенный для работы в некотором удаленном устройстве с питанием от батареи.

Поскольку уровни сигнала могут меняться в очень широком диапазоне, было бы прекрасно ввести какой-нибудь блок, обеспечивающий переключение коэффициента передачи в диапазоне, скажем, 60 дБ. Для обеспечения долговечности щелочной батареи с напряжением 9 В (500 мА·ч) мы должны отбирать от нее общий ток не более 20 мкА (что соответствует 3 годам ее эксплуатации), и, поскольку другие схемы, вероятно, записываются от той же батареи, мы выделим из общего бюджета ток 10 мкА для питания самого усилителя.

Первая вещь, о которой следует упомянуть, — это то, что микромощный ОУ не сможет обеспечить требуемые рабочие характеристики. Образцовый «нановаттный» ОУ СА3440, функционирующий при токе 10 мкА, имеет коэффициент передачи на постоянном токе 80 дБ (мин.) и произведение усиление — полоса пропускания 300 кГц, т. е. на частоте 20 кГц его коэффициент усиления составляет только 15 (24 дБ). Мы обсудим вопросы проектирования на микромощном ОУ и основные ограничения в следующем разделе. А сейчас все, что мы должны знать, — это то, что аспекты разработки на ОУ (связь по постоянному току, точность, компенсация единичного усиления) достаточно отличаются от того, что потребуется в данном примере, который можно сделать лучше при использовании дискретных элементов.

Давайте начнем с попытки применить «пару с последовательной обратной связью», рассмотренную в разд. 4.27. (Сверить название с приведенным в 4.27.) На рис. 14.28 показана наша первая попытка, где мы задействовали пару супербета малошумящих транзисторов при комбинированных коллекторных токах в 5 мкА с расчетным коэффициентом передачи (R 2 /R 3 ), равным 200 (46 дБ).

Рис. 14.28.

Структура цепи смещения не показана. Ток покоя транзистора Т 1 устанавливается с помощью выбора падения напряжения U БЭ на резисторе R 1 , а резистор R 2 задает коллекторное напряжение транзистора Т 2 , поскольку определяет его ток покоя. Сами внутренние эмиттерные сопротивления rэ достаточно большие и равны соответственно 12 кОм и 8 кОм, как плата за малые коллекторные токи.

Два таких каскада при их коэффициенте передачи 90 дБ и токе покоя 10 мкА, кажется, могли бы решить эту задачу, вероятно, потребовалось бы установить на выходе эмиттерный повторитель. Однако, как мы упомянули ранее, влияние емкости может быть разрушительным для схем с малыми токами и высокими значениями полного сопротивления. Давайте рассмотрим, что делает емкость с рабочими характеристиками этой схемы. Для оценки эффекта Миллера необходимо выяснить, как коэффициент усиления по напряжению распределяется между этими двумя транзисторами. Транзистор Т 2 имеет сопротивление r э = 8 кОм, так что его коэффициент усиления по напряжению составит приблизительно 85; первый каскад с эмиттерной обратной связью дает коэффициент усиления приблизительно 2,4. Во втором каскаде с высоким коэффициентом усиления эффект Миллера может преобладать и определять спад частотной характеристики усилителя. Действительно, для нашего случая транзистор 2N5087 имеет С кб = 6,5 пФ при напряжении (U кб = 2 В, которая действует как входная емкость 550 пФ на землю в цепи базы. Реактивное сопротивление этой емкости Миллера равно значению сопротивления R 1 на частоте 1 кГц и может вызвать на этой частоте спад частотной характеристики в 3 дБ при отсутствии общей отрицательной обратной связи. С обратной же связью спад частотной характеристики начинается выше приблизительно с частоты 4,4 кГц, что неудовлетворительно для усилителя звуковых частот, в идеальном случае она должна быть плоской до частоты 20 кГц.

Решение этой проблемы основано на том, чтобы понять, что здесь «убийцей» является емкость С кб (из-за эффекта Миллера) и использовать тогда транзистор с очень низким значением С кб . Сам p-n-p-транзистор 2N4957 представляет собой удачный выбор, малошумящий ОВЧ-усилитель с высоким коэффициентом усиления и с С кб = 0,6 пФ при напряжении 2 В. На рис. 14.29 показана итоговая схема с каскадным включением двух пар с последовательной обратной связью и выходным эмиттерным повторителем.

Рис. 14.29. Микромощный усилитель звуковых частот с высоким коэффициентом усиления. Ключи на полевых транзисторах позволяют вводить затухания, начиная с максимального усиления, как показано.

Вторая пара имеет большее значение резистора в цепи эмиттера для надлежащего смещения при связи по постоянному току с первым каскадом. Переключение коэффициента передачи сделано с помощью КМОП-матрицы ключей 4066В, которая имеет низкий уровень шума и хорошую внутреннюю изоляцию между ключами.

Развязка источника питания является хорошей идеей для схемы усилителя с высоким коэффициентом передачи, подобному этому. В том случае, когда все ключи замкнуты, этот усилитель имеет коэффициент передачи 90 дБ (переключаемый до 30 дБ при различных комбинациях в замыкании ключей), ширину полосы пропускания 27 кГц и приведенное ко входу напряжение шума 12 нВ/√Гц; при полном сопротивлении источника 50 кОм его шум-фактор составляет 1,1 дБ. Для сравнения стоит указать, что КМОП ОУ СА3440, который мы рассматривали вначале, имеет на 20 дБ больший уровень шума (еш = 110 нВ/√Гц); даже прекрасный биполярный ОУ фирмы PMI ОР-90 имеет е ш = 40 нВ/√Гц при токе питания 20 мкА и произведение усиление — полоса пропускания 25 кГц (что обеспечивает скудное усиление только 2 дБ на частоте 20 кГц). Для этой прикладной задачи технические приемы проектирования на дискретных элементах являются обязательными.

Может показаться парадоксальным применение ОВЧ-транзисторов в диапазоне звуковых частот, но наш пример продемонстрировал, что это дает хороший эффект. В справочных пособиях по РЧ можно найти несколько таких «драгоценностей». Например, транзистор MRF9331 имеет С кб = 0,25 пФ при напряжении 0 В (!) и частоту f T = 5 ГГц при токе 1 мА. Эти приборы ориентированы для работы при низких значениях напряжений и токов и предназначены для питаемых от батарей систем связи. Например, при реальных измерениях транзистор MRF9331, который функционирует при UKЭ = 1,5 В, имеет h 21Э = 30 при токе 10 нА и 60 — при 1 мкА.

14.12. Микромощные операционные усилители

Как и в обычных ситуациях, при разработке линейных устройств соблазнительно отказаться от дискретных маломощных транзисторов в пользу микромощных ОУ, предусматривая, что они могут обеспечить необходимые рабочие характеристики. Постоянный прогресс в технологии биполярных линейных ИС наряду с недавними улучшениями в производстве интегральных КМОП-схем привел к обоснованному выбору микромощных ОУ.

Имеется, однако, несколько серьезных компромиссов и конструкторских неудобств при использовании микромощных ОУ. Давайте рассмотрим некоторые из этих проблем. При всех остальных одинаковых характеристиках уменьшение рабочего тока ОУ вызывает соответствующее понижение частоты единичного усиления f T и максимальной скорости нарастания выходного напряжения, увеличение выходного полного сопротивления Z вых , появление искажений типа «ступенька» и возрастание входного шумового напряжения е ш . В большинстве случаев имеется также тенденция к снижению имеющегося выходного тока возбуждения I вых . Кроме этих нежелательных характеристик схемные ухищрения, необходимые при проектировании микромощных ОУ, могут привести к дополнительным патологиям, как например, вероятность низкочастотных возбуждений (рокот из-за самовозбуждения НЧ-каскадов), ключевой режим с фиксацией состояния или недостаточный диапазон схемы подстройки входного смещения.

Во многих случаях микромощное проектирование означает проектирование с батарейным питанием, зачастую с единственным (и вероятно, нестабилизированным) источником постоянного напряжения. Функционирование ОУ при наличии единственной низковольтной батареи приведет только к ограничению размаха выходного сигнала; для того чтобы сохранить хороший динамический диапазон и точность при этих малых сигналах, необходимо иметь меньшие значения U сдв в сравнении с обычной схемой, использующей напряжения источников питания ±15 В. Например, ОУ, который может обеспечить размах выходного сигнала только на 2 В ниже максимальных перепадов источника питания, ограничен в обеспечении максимального двойного размаха напряжением 3 В, при питании его от единственной батареи с напряжением 9 В (которое падает до 7 В в конце срока службы), сравните с 26 В двойного размаха при запитывании от источника питания с напряжением +18 В. В этом примере вам потребовалось бы поддерживать входные смещения ОУ приблизительно в 10 раз меньше (при проектировании с батарейным питанием) с целью поддержания эквивалентной точности.

Программируемые и микромощные ОУ. Существуют две категории операционных усилителей, которые пригодны при проектировании микромощных устройств, а именно программируемые ОУ и маломощные ОУ.

Программируемые ОУ (разд. 4.13) аналогичны обычным ОУ, но имеют дополнительный контакт «программирования», который позволяет установить рабочие токи внутри самой ИС. Типично для программируемых ОУ использование токовых зеркал в различных модификациях с целью задания рабочих токов их внутренних каскадов таким образом, что сам общий рабочий ток покоя кратен этому программируемому току I уст . Обычный способ задания тока I п состоит в том, чтобы «прицепить» резистор между контактом программирования и одним из источников питания (обычно U_), поскольку контакт программирования непосредственно питает током токовое зеркало. Допустимы токи покоя, достигающие микроампера или меньше, хотя при соответствующем ухудшении динамических характеристик (например, при I п = 1 мкА программируемый ОУ 4250 имеет SR = 0,005 В/мкс и f T = 0,01 МГц). Некоторые наиболее популярные программируемые ОУ — это LM346 и 4250 (оба биполярные) и КМОП ОУ СА3440.

Маломощные ОУ представляют собой просто ОУ, спроектированные с такой внутренней структурой, чтобы работать при низком токе покоя, но без контакта программирования. Примерами таких ОУ являются: прецизионные ОР-20 (45 мкА) и ОР-90 (12 мкА макс.) и «ЛинКМОП» TLC27L2 (20 мкА) фирмы TI. Вариации на эту тему связаны с выбором рабочего тока, согласно тому, куда подключен контакт выбора к U + или U_ или оставлен свободным. Как TLC271, так и ICL7612 работают таким образом, при этом допускается выбор рабочих токов 10 мкА, 100 мкА и 1 мА.

Пример разработки на ОУ: прибор для отыскания неисправностей типа узел прокола. Давайте начнем с простого примера, а именно посмотрим, как производится разработка устройства на микромощном ОУ. Мудреной проблемой отыскания повреждений является поиск так называемых узловых точек прокола, в которых имеется закоротка где-нибудь на печатной плате. Это может быть реальное короткое замыкание в самом монтаже или случай, когда выход какого-нибудь прибора (например, цифрового формирователя с третьим состоянием) находится в фиксированном состоянии. Это найти трудно, поскольку, где бы вы не измерили потенциал на этой линии связи, получается нулевое напряжение относительно шины земли.

Однако в устройстве, которое обеспечивает разрешение этой проблемы, должен использоваться чувствительный вольтметр для измерения падения напряжения вдоль проводника с проколом. Типовой сигнальный проводник на печатной плате может быть шириной 0,012 дюйма и толщиной 0,0013 дюйма (1 унция на квадратный фут) и иметь сопротивление вдоль этого проводника 44 мОм на дюйм. Итак, если имеется прибор, блокирующий где-нибудь линию на землю, а вы вводите диагностирующий постоянный ток в 10 мА где-нибудь еще, то будет падение напряжения 440 мкВ на дюйм в направлении к узлу прокола.

Давайте спроектируем прибор для поиска неисправности типа узел прокола. Его питание должно осуществляться от батареи, так чтобы он мог при испытании быть взвешенным относительно находящейся под питанием схемы. Он должен быть достаточно чувствительным с тем, чтобы отображать такое малое падение напряжения, как +100 мкВ, на измерительном приборе с центральной нулевой точкой. В идеальном случае хорошо было бы иметь нелинейную шкалу с тем, чтобы даже при падениях напряжения в десятки милливольт показания прибора не выходили за пределы шкалы. При микромощном проектировании можно было бы исключить выключатель питания, поскольку 9-вольтовые батареи или элементы АА-типа обеспечивают почти полное время жизни (соответственно 500 мА·ч и 1400 мА·ч) при токах потребления меньше 20 мкА.

При использовании взвешенного батарейного питания наиболее простая схема содержит неинвертирующий усилитель с высоким коэффициентом усиления, который работает на измерительный прибор с нулевой центральной точкой шкалы (рис. 14.30).

Рис. 14.30. Прибор для поиска неисправностей: плавающий усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления и ограничивающими выходной сигнал диодами.

Поскольку вход и выход являются по сути биполярными, вероятно, будет лучше использовать пару АА-элементов, обеспечивающих питание ОУ от нестабилизированных источников питания +1,5 В. Обратно включенные диоды Шоттки уменьшают коэффициент усиления при больших размахах сигнала и предотвращают зашкаливание прибора; на рис. 14.31 представлены его результирующие характеристики, т. е. в зависимости от напряжения U вх .

Рис. 14.31. Прибор для поиска неисправностей обеспечивает большой динамический диапазон с помощью нелинейной обратной связи.

Следует отметить, что входной резистор цепи защиты в случае превышения напряжениями значений +1,5 В подключается поперек входов. Резистор с номиналом 10 кОм поперек входа поддерживает нулевое напряжение на выходе, когда прибор не подключен к испытываемой схеме. Главная трудность при таком проектировании состоит в обеспечении выходного смещения не более 100 мкВ, в то время как сохраняется микромощный ток потребления, и все это должно быть при напряжениях источника питания как раз ±1,5 В. ОУ типа TLC251A предназначен для работы в условиях, когда общее напряжение источника питания достигает 1 В, а его КМОП выходной каскад дает размах сигнала, соответствующий полному перепаду напряжений питания. Он имеет выбираемые рабочие токи, а именно 10 мкА, 150 мкА и 1 мА; как и следовало ожидать, мы выбираем ток 10 мкА (подключая контакт 8 к U+ ). При таком выборе уменьшается скорость нарастания и ширина полосы пропускания, что нам безразлично, но реально улучшается дрейф входного смещения (0,7 мкВ/°С).

Неподстроенное входное смещение составляет 5 мВ и его, очевидно, придется скомпенсировать. Однако вот краткая выдержка из технических условий, а именно: «величина нулевого диапазона меняется в соответствии с выбором напряжения смещения… При малом смещении или когда ОУ TLC251 используется при напряжении питания ниже 4 В общее приведение к нулю может не обеспечиваться на всех экземплярах». Если же при подстройке напряжения смещения обычным образом схема все же не работает, то спроектируйте свою собственную. Здесь мы обращаемся к предлагаемой схеме. Она гарантирует работу, поскольку можно подавать больше 5 мВ на инвертирующий вход. И это увеличит ток потребления только на 3 мкА. Но это компромиссное решение, поскольку сама подстройка зависит от напряжения нестабилизированной батареи. Ток подстройки пропорционален напряжению батареи так, что в худшем случае (начальная входная погрешность полные 5 мВ) дрейф напряжения смещения составит 50 мкВ на процент изменения напряжения батареи.

До последнего времени не было четкого решения этой проблемы. Однако ОУ типа ОР-90 фирмы PMI счастливо обеспечивает здесь прекрасное решение. Он представляет собой микромощный ОУ с током питания 12 мкА и может работать при напряжениях источников питания вплоть до +0,8 В. В своей лучшей модификации (ОР-90Е) он имеет U см = 150 мкВ (макс), неподстраиваемое. Хотя это и биполярный ОУ, размах его выходного напряжения в целом достигает отрицательного перепада и падение напряжения на диоде ниже положительного перепада, что в данном случае достаточно хорошо. Для этой прикладной задачи было бы, вероятно, более разумно купить дешевый образец (OP-90G, 0,5 мВ) и подстроить его напряжение смещения с помощью внешней цепи. Одним из преимуществ от использования микромощного ОУ с фиксированным смещением по сравнению с программируемым ОУ является то, что подстройка напряжения смещения гарантирует работу.

Многоцелевые микромощные ОУ. Первым программируемым ОУ (в действительности первый маломощный ОУ) был биполярный ОУ типа 4520, выпущенный в 1967 г. фирмой Union Carbide, которая впоследствии продала свою поточную линию по выпуску линейных схем фирме Solitron. В 1970 г. ОУ 4250 стоил 42,5 долл. Они сразу стали популярными (и еще остаются) и широко выпускаются вторичными фирмами-изготовителями. ОУ 4520 пригоден для работы вплоть до микроамперных токов или около того и будет работать с общим напряжением источника питания 2 В. Он дешев и обеспечивает приличные рабочие характеристики.

ОУ 4250 обладает одной характерной конструктивной особенностью, которая может привести к проблемам, когда он работает на малом токе. Он имеет забавную цепь смещения, которая обеспечивает дополнительный ток в каскадах выходных формирователей, если выходной ток через нагрузку на землю является большим (по сравнению с током I уст , умноженным на пару h 21э ). При этом предполагалось обеспечить помощь в запитывании чрезмерных нагрузок, но тогда сама схема может получить обратный пробой, если вы переборщите с этим, т. е. с формирователями, отбирающими ток питания от остальной части ОУ. Сам ОУ тогда выключается, происходит разряд через корректирующий конденсатор, затем напряжение снова быстро возрастает и т. д., что приводит к низкочастотным колебаниям с частотой в несколько сотен герц. Этот недостаток был устранен в счетверенном биполярном ОУ LM346, который не «моторная лодка», но который из-за этого, следовательно, имеет жалкую производительность по выходному вытекающему, току при низких токах питания (рис. 14.32).

Рис. 14.32. Зависимость выходного возбуждения (вытекающий и втекающий ток) различных программируемых ОУ от тока источника питания.

ОУ 346 представляет собой в других отношениях чудесный ОУ, организованный как один ОУ плюс строенный ОУ с соответствующей парой входов программирования. Одна проблема, характерная для биполярных программируемых ОУ, которые функционируют при очень низких токах, связана с тем, что входной ток смещения не падает так же быстро, как ток потребления от источника питания (т. е. коэффициент передачи бета входного каскада уменьшается при малом токе коллектора); например, ОУ LM346 имеет относительно большое значение тока Iб (макс.) порядка 100 нА при функционировании при токе 35 мкА на один ОУ. Эта проблема часто становится серьезной, поскольку в большинстве программируемых ОУ во входных каскадах не используется схема Дарлингтона или супер-бета-транзисторы. При проектировании более современных программируемых ОУ особое внимание уделяется полевым МОП-транзисторам, в качестве примера можно привести следующие серии: ICL761x фирмы Intersil, «ЛинКМОП» TLC250/270 фирмы TI и СА3440 фирмы RCA. Все они имеют токи смещения в пикоамперном диапазоне, все допускают подачу синфазного сигнала в диапазоне вплоть до отрицательного перепада напряжения питания. ОУ типа ICL7612 имеет дополнительную полезную особенность, а именно возможность функционирования при размахе входного синфазного сигнала выше обоих перепадов питания. Выходные каскады на полевых МОП-транзисторах могут обеспечивать размах сигнала до уровней напряжения питания; выходные каскады ОУ серии 761x все могут достигать насыщения на уровне обоих напряжений питания, в то время как ОУ серии TLC250/270 достигают насыщения только при отрицательном напряжении питания. Только ОУ типа 3440 является полностью программируемым (другие предлагают выбор в виде трех токов питания) и считается неоспоримым чемпионом при работе на крайне низких токах. Вы можете запустить его при токах питания в несколько наноампер, хотя при этом не будут обеспечиваться характеристики по скорости: при токе питания 100 нА ОУ 3440 имеет скорость нарастания 0,0004 В/мкс, а его f T = 200 Гц! Однако вследствие своей МОП-структуры он еще обеспечивает хорошую производительность по выходу (1 мА при общем перепаде напряжения питания 2 В). ОУ 3440 представляет собой хороший выбор для микромощного проектирования. (Предупреждение: отметим, что на рис. 7 и 8 в технических условиях должно быть указано нА, а не мкА.)

Семейство ЛинКМОП ОУ фирмы TI (серии TLC250/270) имеет некоторые очень привлекательные особенности, включая (аналогично 3440) хорошую производительность по выходу при низком токе питания. В нем используется технология легирования фосфором поликремниевого затвора с тем, чтобы получить крайне низкий временной дрейф напряжения смещения (0,1 мкВ/мес) и избежать традиционной хилости ОУ и компараторов на МОП-транзисторах с металлическим затвором. Фирма TI выпускает реальный победитель по этим параметрам, но неудачно и скудно представленный в их традиционно малоинформативных технических данных по линейным устройствам.

Для большинства ОУ по КМОП-технологии (включая и все упомянутые выше) характерна проблема, связанная с ограничением общего напряжения питания (см. разд. 4.22), в типовом случае 16 В (например, +8 В макс). Это плохие новости; хорошей же новостью является то, что они могут работать при очень низких общих напряжениях источника питания (2 В — для 761x, 1 В - для TLC250, 4 В — для 3440).

Мы собрали в табл. 14.6 и 14.7 данные о маломощных и программируемых ОУ, по которым у нас имеется информация. Если вы сравните их с табл. 3.1, то увидите, что микромощное проектирование представляет собой специальный предмет.

Пример микромощного проектирования: интегрирующий метроном. На рис. 14.33 показана микромощная схема, которая формирует внятное тикание со скоростью, пропорциональной интенсивности светового потока от лампы фотоувеличителя. Таким образом, если вы зададите время экспозиции вашего фотоувеличителя, то отпечатки будут экспонированы одинаково, даже если яркость лампы меняется (возможно, вследствие изменений напряжений в сети питания, прогрева флуоресцентной лампы и т. д.).

Рис. 14.33. Микромощный светоинтегрирующий таймер для фотолаборатории.

Целью проектирования была также возможность функционирования при батарейном питании с напряжением 9 В (простая, дешевая) и отсутствие выключателя сети (пользователи забывают выключать его). Так же должна быть сигнализация (на светодиоде) хорошего состояния батареи. Поскольку ток питания от батареи должен поддерживаться на уровне ниже 20 мкА с тем, чтобы 9-вольтовая батарея имела срок службы 2 г. (500 мА·ч, см. табл. 14.2), и поскольку светодиод и пьезоэлектрический звуковой индикатор потребляют ток по несколько миллиампер каждый, то единственным способом исключить выключатель питания состоит в том, чтобы использовать методы отключения источника питания (см. разд. 14.17), включая мощные схемы только на время, когда обнаруживается свет от лампы. Это прекрасная возможность использовать программируемые ОУ, которые можно отключать через их контакт программирования. Давайте рассмотрим саму схему.

Нам необходимо биполярное питание, но нет желания использовать две батареи, и тогда мы начали с применения микромощного повторителя U 2 для формирования потенциала «земли» на уровне +6 В (обозначение "REF6"). Через делитель (пока пренебрегаем резистором R 6 ) протекает ток 1 мкА, а сам ОУ 3440 имеет такое смещение через резистор R 8 , что его рабочий ток составляет 2,5 мкА (U п = 10/I уст ). ОУ 3440 представляет для этой задачи хороший выбор, поскольку он сделан по КМОП-технологии, которая обеспечивает пренебрежимо малый входной ток (50 пА, макс.) и обладает производительностью по выходному току в несколько миллиампер (как втекающему, так и вытекающему), даже при микроамперных токах покоя. В действительности мы могли бы его запустить и при меньшем токе; мы выбрали номинал резистора 22 МОм, поскольку это максимально возможный номинал стандартного резистора, а результирующий ток лежит в пределах нашего бюджета! Следует отметить шунтирование цепи делителя с целью подавления «мусора» из-за емкостной связи (с мегаомными полными сопротивлениями следует обращаться осторожно). Подключенный к выходу конденсатор с номиналом 2,2 мкФ поддерживает низким полное сопротивление этой шины даже на высоких частотах, где у ОУ U 2 нет усиления (f T = 0,01 МГц при токе I п = 2,5 мкА), резистор развязки R 9 предотвращает возбуждение усилителя U 2 при емкостной нагрузке (см. разд. 7.07). На усилитель U 2 всегда подается питание.

Детектор освещенности представляет собой фотодиод, который вырабатывает ток (номинальное значение 100 мкА, но пропорциональное интенсивности света от излучателя) в короткозамкнутой нагрузке, а именно, в виртуальную землю (точку кажущейся земли) усилителя U 1а . Нам требуется сформировать частоту колебаний в точности пропорционально этому току, что подразумевает наличие конденсатора и релаксационного генератора. Эта схема не будет работать, поскольку фотодиод, действующий как источник тока, имеет очень маленькую податливость (0,1 В или меньше). Кроме того, необходимо выбрать способ откалибровать сам прибор, т. е. провести регулировку, которая обеспечит тикание метронома через интервалы в 1 с, когда конкретная лампа имеет нормальную яркость (что может соответствовать току 50 мкА или 200 мкА, а не номинальному 100 мкА). Наконец, необходимо выбрать способ включения источника питания при обнаружении света.

Вследствие этих причин мы начали с разработки каскада с транссопротивлением (преобразование тока в напряжение), коэффициент усиления которого регулируется с помощью резистора R 3 в диапазоне, большем, чем 15:1. Конденсатор С 1 добавлен в схему с целью некоторого сглаживания пульсаций флуоресцентных источников света, которые мерцают с частотой 120 Гц. Фотодиод подключен к точке REF6, с тем чтобы поддерживать его в рабочем диапазоне усилителя U 1 по синфазному сигналу. Это приводит к тому, что напряжение на выходе усилителя U 1а ниже потенциала точки REF6 на величину, пропорциональную световому потоку, в номинальном режиме она составляет 0,66 В (для тикания с интервалом 1 с), когда уже проведена калибровка. Выходной сигнал с усилителя U 1а поступает на две схемы: компаратор (U 1c ), который управляет выключением источника питания, и источник тока (U 1В ), который обеспечивает возбуждение релаксационного генератора, поделенная частота которого и будет выходным параметром метронома.

Компаратор (U 1c ) представляет собой одно из трех звеньев усилителя U 1 (а, b и с), которые функционируют постоянно, его смещение проводится через резистор R 10 при общем токе приблизительно 9 мкА. Мы хотим включать источник питания, когда напряжение выходного сигнала усилителя U 1a становится чуть ниже потенциала шины RFE6, при этом мы снимаем эталонное напряжение с резистора R 6 делителя на входе усилителя U 2 , которое на 0,1 В ниже потенциала шины REF6. Выходной сигнал компаратора U 1c переводит транзистор T 1 в насыщение, что приводит к подключению источника питания +9 В, который обозначен как "+ 9SW" и который, следовательно, появляется всякий раз, когда включается лампа фотоувеличителя.

Источник тока (U 1b ) работает постоянно. Он реализован в виде стандартной структуры (см. разд. 4.07), состоящей из ОУ и p-n-p-транзистора, и выдает в конденсатор С 5 ток 3,2 мкА, когда на его вход подается номинальное напряжение, которое на 0,66 В ниже потенциала шины REF6. Следует отметить, что одна из выгод от того, что сам фототок не используется непосредственно, связана с возможностью его масштабирования к удобному значению; в нашем случае при токе 3,2 мкА в конденсаторе с номиналом 0,1 мкФ (т. е. dU/dt = I/C = 32 В/с) в микросхеме 332 (в которой используется прецизионный источник эталонного напряжения для установки напряжения его точки запуска в 2 В) вырабатывается сигнал с частотой 16 Гц. «Шведский» стол из резисторов, конденсаторов и диодов, которые окружают схему 332, является неудачным, но «он» требуется для образования релаксационного генератора из этого не совсем удачного кристалла.

Состоящая из резистора 3,3 кОм и конденсатора 100 пФ цепь, подключенная к выходу схемы 332, это то, что мы посчитали необходимым сделать для лечения его генетических предрасположенностей, связанных с удвоением частоты переключений (сама схема 555 часто предлагает ту же самую проблему, с тем же методом лечения). Его выходной сигнал поступает на КМОП-делитель на 16, выходной сигнал которого — тикание с длительностью 1/16 с через 1-секундные интервалы — вызывает насыщение транзистора Т3   возбуждения пьезоэлектрической звуковой головки А 1 . Цепь R 19 -C 8 обнуляет сам делитель в начале каждой экспозиции, так что первый сигнал появляется в конце первой «псевдосекунды».

Последняя секция (U 1d ) счетверенной схемы 346 используется в режиме компаратора как комбинированный индикатор «включения лампы» и «исправности батареи». Его ток покоя программируется отдельным резистором R 24 , следовательно, его напряжение питания появляется только после включения напряжения +9SW. Д4 - это высококачественный светодиод, который работает при токе 2 мА, и, таким образом светится, когда включается световая головка, при условии, что напряжение с делителя R 22 -R 23 по крайней мере на 3,15 В (стабильное эталонное напряжение, обычно выдаваемое схемой 322) превышает отрицательный перепад напряжения питания. Это условие будет выполняться, если напряжение батареи составляет по крайней мере 7 В, т. е. она работоспособна.

Вследствие того, что производится выключение источника питания, только U 1a-с и U 2 работают постоянно, обеспечивая комбинированный ток потребления около 12 мкА. Когда элемент U 1c ощущает фототок от световой головки, он включает напряжение +9SW, обеспечивая питанием схему 322 (2,5 мА), светодиод (2 мА) и пьезоэлектрическую звуковую головку (1/16 x 8 мА, т. е. средний ток 0,5 мА). Вычисленное время службы самой батареи составляет приблизительно 5 лет (или «долговечность») в состоянии покоя и 100 ч при функционировании. При среднем времени экспозиции 15 с — это обеспечит получение 24000 снимков.

При проектировании выбор ОУ 3440 был обусловлен его хорошей нагрузочной способностью и низким входным током при малом значении I п . Мы выбрали ОУ 346 из-за его хороших общих характеристик в сочетании с низкой стоимостью при обычном счетверенном корпусе. Использование схемы 322 связано с наличием в ней внутреннего источника эталонного напряжения, что позволяет обойтись без стабилизированных источников питания (что потребовалось бы при использовании схем, аналогичных 555), когда его времязадающий конденсатор запитывается от внешнего тока, не зависящего от источника питания. Выход его источника эталонного напряжения дает прекрасную возможность реализовать индикацию состояния «батарея-разряжена».

Потенциал шины «земли» был выбран (несимметрично и максимально возможным) +6 В для обеспечения максимального динамического диапазона по яркости световой головки: поскольку конденсатор С 5 заряжается на 2 В выше отрицательного напряжения питания, сама же схема перестанет работать, когда программируемое током напряжение на резисторе R13 достигает приблизительно 4 В (в 6 раз превышающий номинальное значение), поскольку сам источник тока тогда станет неподатливым. На нижнем крае динамического диапазона напряжения смещения в усилителях U 1a и U 1b начнут давать ошибки приблизительно при освещенности в 1/6 от номинальной. Таким образом, комбинируя выбором напряжения шины земли (+6 В) и номинального программирующего напряжения (0,66 В), удалось получить динамический диапазон от 1/6 до 6 от номинального значения, что существенно выше того, к чему могут привести флуктуации светового потока любого источника света. Например, флуоресцентная лампа исходно при комнатной температуре производит 1/3 от своей полной яркости при полном прогреве. Мы выбрали частоту 16 Гц, поскольку тогда единственный делитель на 16 может обеспечить сигнал возбуждения пьезоэлектрической звуковой головки без одновибраторов.

Замечание по схеме защиты: резистор R 1 предотвращает повреждение самого фотодиода при пиковых токах, которые могут в необычных условиях возникать при заряде конденсатора С 1 . Фиксаторы уровней Д 1 и Д 2 предохраняют от повреждения усилитель U 1a при подаче чего-нибудь безумного во входную цепь. Резистор R 18 предохраняет конденсатор С 8 от перезаряда, т. е. от перевода схемы U 4 в тиристорный ключевой режим с фиксацией состояния, когда выключается напряжение питания + 9SW. Хотя эти предосторожности могут быть в большинстве случаев излишними, они были использованы на всякий случай, поскольку этот прибор является коммерческим изделием, где умеренная интенсивность отказов может уничтожить весь ваш доход (а также и вашу репутацию!).

Разнообразные идеи: микромощные ОУ. Контакт программирования можно использовать в качестве удобного управления выключением питания, как это показано на рис. 14.34.

Рис. 14.34. Использование контакта программирования для управления отключением питания.

Это проще, чем коммутировать напряжения источников питания ОУ, как мы вынуждены были сделать для других, больших по току нагрузок, как пример с метрономом. Большинство программируемых ОУ (3440, 4250) работает на втекающем токе I уст , как это показано на рисунке, так что вы можете использовать эту простую цепь. Это может быть хорошей идеей; подключить высокоомный поддерживающий резистор на положительный источник питания ОУ для обеспечения шунтирования токов утечки и, следовательно, гарантированного полного выключения.

Некоторые ОУ являются «квазипрограммируемыми» в том смысле, что они допускают выбор нескольких фиксированных рабочих токов (в типовом случае 10 мкА, 100 мкА и 1 мА). Примерами этого могут служить ОУ ILC7612 и TLC251/271. Серия TLC250/270 к тому же имеет в корпусе несколько ОУ с «низким» (10 мкА на секцию), «средним» (150 мкА на секцию) и «высоким» (1 мА на секцию) значением тока покоя, которые определяются по части цифрового обозначения, а именно TLC27L2, TLC27M4 и TLC274 (соответственно низкий ток, сдвоенный; средний ток, счетверенный; высокий ток, счетверенный).

При использовании КМОП-ОУ в режиме компаратора следует остерегаться больших временных дрейфов напряжения U см , они вызываются миграцией ионов натрия в области затвора при долговременной подаче входного дифференциального напряжения, это не будет оказывать влияния на их работу в качестве ОУ, где обратная связь приводит к нулю дифференциальное входное напряжение. ЛинКМОП — серия TLC270 не страдает этой болезнью из-за ее легированного фосфором поликремниевого затвора.

Некоторые КМОП-ОУ характеризуются драматическим увеличением входного тока (утечки), когда работают при высоком напряжении питания и ненулевом входном напряжении; например, семейство ЛинКМОП ОУ фирмы TI может иметь ток I вх порядка 20 нА при напряжении U вх = +2 В и U пит = ±9 В. Напомним также, что всем ОУ на полевых транзисторах (как на полевых с p-n-переходом, так и на полевых МОП) присуще катастрофическое возрастание входного тока при повышении температуры, в типовом случае удваиваясь каждые 10 °C. При высоких температурах ОУ на полевых транзисторах часто имеют более высокие входные токи, чем хорошие биполярные типы; см. рис. 3.30.

Это неприятный факт, что большинство микромощных ОУ имеют внутреннюю коррекцию для обеспечения единичного усиления. При низких токах покоя вам необходимы вся скорость нарастания и полоса пропускания, какие только можно получить, так что было бы чудесно приобрести декомпенсированные или некомпенсированные микромощные ОУ для использования в прикладных задачах с большим коэффициентом усиления. Имеется один такой ОУ, а именно, ОР-32 фирмы PMI, но его скорость нарастания и частота f T лишь слегка лучше, чем у единично-компенсированных ОУ, таких, как 4250 и 346.

14.13. Микромощные компараторы

Те же самые компромиссы между скоростью и мощностью, которые ограничивают эксплуатационные данные микромощного ОУ, также применимы и к компараторам. Однако что касается сравнения обычных компараторов и ОУ, всегда можно получить лучшие характеристики по быстродействию у компаратора, а не у ОУ, эквивалентной мощности; это происходит вследствие того, что интегральные компараторы не предназначены для использования в режиме с отрицательной обратной связью и в них отсутствует снижающая быстродействие частотная коррекция. Конечно, если вы не беспокоитесь о быстродействии, то ОУ будет зачастую решать эту задачу лучшим образом, как в выше приведенной схеме метронома.

Аналогично ОУ микромощные компараторы выпускаются в двух разновидностях, а именно, с программируемым и фиксированным током I п . Примером первого может служить LP365-счетверенный программируемый биполярный компаратор, который характеризуется общим током потребления от источника питания 10 мкА; он может работать при общем напряжении источника питания от 4 до 36 В и имеет отдельный выходной эмиттерный контакт (как 311), так что можно сравнивать отрицательные напряжения и в то же время вырабатывать сигнал на логическую схему. Примером второго может служить LP339 — микромощная версия (15 мкА на секцию) популярного маломощного (200 мкА на секцию) счетверенного компаратора LM339. Фирма TI выпускает КМОП-аналоги схемы 339/393 (TLC339/393) даже с еще меньшим током покоя и прекрасными рабочими характеристиками по быстродействию и мощности; они также поставляют их с активными привязками (TLC3 702/4), так что вы можете не тратить впустую драгоценный ток (и быстродействие) на внешнюю резистивную привязку.

Необычный микромощный компаратор — это LT1040, в который введено выключение питания, что позволяет достичь среднего значения тока покоя в 0,1 мкА при внешнем стробировании раз в секунду. В противоположность этому вы можете использовать внутренний стробируемый генератор, который потребляет дополнительно 0,5 мкА. Времени ожидания в 1 с совершенно достаточно, если вы контролируете медленно меняющиеся величины, например уровень топлива в баке. ИС LT1040 представляет собой счетверенный компаратор, выполненный по КМОП-технологии, и он имеет выходные ключевые схемы с фиксацией состояния.

Кроме того, он имеет выходной контакт «импульсного питания», который находится в активном состоянии около 80 мкс в течение времени преобразования, так что вы можете запитать резистивную цепь (например, мостовую цепь с термистором в одной из ветвей) на входе также от выключаемого источника питания. Этот кристалл (или его ближайший аналог LT1041) был бы хорошим выбором просто в качестве низкочастотного микромощного генератора (см. следующий раздел), поскольку микроамперные генераторы не так-то просто разработать. Однако следует отметить, что это, в частности, нестабильный генератор.

Вы можете применить выключаемый источник и для питания обычных (т. е. быстродействующих) компараторов, если хотите провести редкие сравнения в известные моменты времени. Например, вам необходимо выполнить акустическое измерение дальности путем подачи коротких звуковых посылок, а затем измерить двойное время прохождения сигнала в прямом и обратном направлении по приходящему эху. При измерении разности между временами прихода начала и конца посылок мы сможем даже измерить скорость. Здесь важно быстродействие и с помощью логических КМОП-схем можно решить эту задачу, но вы, вероятно, захотите иметь рабочие характеристики полномощного компаратора (см. табл. 9.3). Выключение источника питания вполне естественно здесь, поскольку вы знаете, когда необходимо проводить само измерение. В табл. 14.8 представлены имеющиеся в настоящее время маломощные компараторы.

14.14. Микромощные таймеры и генераторы

В инструментальных средствах, питание которых производится от батареи, часто требуется формировать интервалы времени в час или около того. Вам может потребоваться провести редкие измерения с помощью различных датчиков, микропроцессора с выключаемым источником питания и системы связи (или регистрации данных) с выключаемым источником питания. Вся эта система должна «просыпаться» в заранее определенные моменты времени. Час — это достаточно большое время для установки выдержки времени с помощью RC-цепи; итак, вам потребуется более высокочастотный генератор и делитель (возможно, программируемый для задания интервала до следующего «просыпания»). Поскольку сам таймер — это только часть системы, которая функционирует постоянно, необходимо обеспечить его работу при низком значении тока. Какой же имеется выбор?

КМОП-релаксационные генераторы. Первая вещь, которую следует отметить, это то, что обычный КМОП-релаксационный генератор серии 4000 (см. рис. 8.90), работающий при нормальных напряжениях, отбирает довольно большой ток в режиме класса А, главным образом вследствие электропроводности между шинами питания, когда входной сигнал достигает порогового для КМОП-схем значения во время каждой половины цикла. Этот средний ток лежит где-то в пределах 50 мкА, когда напряжение питания составляет 5 В (быстро повышаясь при более высоком напряжении питания), и, как правило, не зависит от частоты колебаний. Решению самой проблемы не поможет установка быстродействующих серий 74НС или 74АС. Однако если сам генератор работает при напряжении 3 В, например от литиевой батареи, то его ток питания будет лежать в микроамперном диапазоне. На рис. 14.35 изображен такой микромощный генератор и указан ток потребления при различных напряжениях источника питания. При установке логических схем серии 74НС вы получите генератор с очень маленьким джиттером, хотя стабильность по напряжению схемы этого типа плохая (в типовом случае изменение частоты на 10 % при изменении напряжения от 1 В до 1,6 В).

Рис. 14.35. Микромощный КМОП релаксационный генератор.

Интегральные генераторы. IСМ7242 фирмы Intersil. Он представляет собой КМОП RС-генератор плюс 8-бит делитель, который работает при напряжении питания от 2 до 16 В и потребляет ток приблизительно 100 мкА при напряжении 5 В. Неприятен тот факт, что ток потребления не снижается значительно при низком напряжении источника питания. Типовой температурный коэффициент частоты составляет 2,5·10-4/°С.

ICM7240/50/60 фирмы Intersil/Maxim. Они аналогичны ICM7242, но имеют программируемые цифровые делители. Они потребляют такой же ток от источника питания.

ICM7207/A фирмы Intersil. Это КМОП кварцевые генераторы с делителями, предназначенные для обеспечения частот выходного сигнала соответственно 100 Гц/10 Гц и 10 Гц/1 Гц; для получения этих частот вы должны использовать кварцевые резонаторы с частотами 6,5536 и 5,24288 МГц. Эти кристаллы потребляют ток 260 мкА при напряжении 5 В, который падает до 80 мкА при напряжении 3 В. В их технических характеристиках записано, что они будут работать при снижении напряжения до 1 В на более низких частотах, токи потребления составят несколько микроампер.

ICM7555/6 фирмы Intersil и другие. Это КМОП-аналоги схемы 555, как правило, с улучшенными характеристиками (более низкий ток питания, более высокая максимальная частота, гораздо меньшие переходные процессы в токе питания). Ток покоя составляет 60 мкА при напряжении 5 В, который также почти равен рабочему току в режиме генератора, если используется большое значение времязадающего резистора. Типовое значение температурного коэффициента составляет 1,5·10-4/°С ИС 7556 — это сдвоенный 7555. Аналогичная схема LMC555 фирмы National потребляет ток 100 мкА и имеет температурный коэффициент 7,5·10-5/°С. Посмотрите в табл. 5.3 параметры других схем 555, выпускаемых фирмами TI, Advanced Linear Devices и Exar.

Операционные усилители. Релаксационный генератор на ОУ (рис. 5.29), построенный на микромощном ОУ, представляет собой хороший низкочастотный генератор. Используйте ОУ с подлинным КМОП выходным каскадом для обеспечения удвоенного размаха выходного сигнала между напряжениями питания, в особенности при низких напряжениях источника питания, с тем чтобы получить малое значение температурного коэффициента и надежную генерацию. В этом смысле хороши ОУ типа 7611/2.

LTI040. Это компаратор с выключаемым питанием выпускается фирмой Linear Technology и, как было указано выше, имеет внутренний микромощный генератор (ток 0,3 мкА на низкой частоте). Ток питания меняется линейно с частотой и определяется следующим образом: I (мкА) = f (Гц)/10. Генератор, в частности, нестабилен (0,2 %/°С, 10 %/В), но он определенно является микромощным на низких частотах.

COPS-таймер. ИС СОР498 фирмы National является представителем их COPS-серии микроконтроллеров с последовательным интерфейсом "MICROWIRE". В состав ИС COPS498 входит схема кварцевого генератора с частотой 32,768 кГц, который функционирует при токе 20 мкА (макс.) при напряжении питания 2,4 В. Он должен программироваться через последовательную шину, но тогда он может формировать запускающие импульсы с частотой 1 или 16 Гц. Стабильность несколько единиц x 10-6/°С является типовой для кристаллов «камертонного» типа.

Тактовая синхронизация календаря. Схемы ММ58174/274 фирмы NSC служат типичным примером кристаллов хронометрирования микропроцессоров. Они запускаются от схем батарейной поддержки, когда выключается питание компьютера, и они сохраняют рабочее время и информацию о дате, которые считываются (и устанавливаются) через шину данных компьютера как порт ввода/вывода. Схема 58174 фунционирует (работающий генератор) при токе 10 мкА (макс.) при напряжении питания 2,2 В. Аналогично кристаллу COPS его можно прерывать на периодические интервалы, но только в режиме потребления полной мощности и при напряжении питания 5 В (ток потребления 1 мА); а также подобно кристаллу COPS он должен программироваться через шину для установки интервала прерывания. Другие популярные кристаллы тактовой синхронизации календаря — это DP8570 (фирма National), ICM7170 (фирма Intersil), МС146818 (фирма Motorola) и MSM5832 (фирма Oki). Некоторые из них позволяют использовать высокочастотные (1 МГц или выше) кварцевые резонаторы для обеспечения лучшей температурной стабильности. Фирма Epson выпускает кристалл тактовой синхронизации календаря с внутренним кварцевым резонатором (RTC58321).

Схемы для наручных часов. Имеются в наличии низковольтные КМОП-кристаллы, спроектированные для запуска шаговых двигателей в наручных часах с аналоговым отображением времени. Например, для останавливаемой схемы ICM7245 требовался кварцевый резонатор с частотой 32,768 кГц, который работает от напряжения питания 1,5 В (одноэлементная батарея) и потребляет ток только 0,4 мкА; различные его разновидности вырабатывают выходные сигналы с частотами 1, 0,1 или 0,05 Гц. Поскольку он был спроектирован для хронометрирования, то обладает очень хорошей стабильностью, в типовом случае 10-7 во всем диапазоне напряжения питания. Фирма National предлагает схему ММ5368, выпускаемый в мини-DIP-коpпусе генератор с частотой 32 кГц, который потребляет ток 50 мкА (макс.) при напряжении 3 В и обеспечивает частоты выходного сигнала 1, 10 и 50/60 Гц. Их ИС ММ53107 потребляет ток 75 мкА при напряжении 3 В и при использовании кварцевого резонатора с частотой 1 МГц обеспечивает частоту выходного сигнала ~= 30 Гц.

Программируемый однопереходный транзистор. Однопереходный транзистор (ОПТ) представляет собой трехконтактный (эмиттер, база 1, база 2) прибор с отрицательным сопротивлением, который пользовался определенной популярностью в 60-х годах в триггерных схемах и несинхронизируемых генераторах. Этот прибор переходит в „тяжелый" режим от эмиттера к базе, когда контакт эмиттера становится более положительным, чем критическое напряжение триггера U тр = ηU ББ + 0,6, т. е. на падение напряжения на диоде выше фиксированной доли г| (это «отношение входного сопротивления к межбазовому сопротивлению» и в типовом случае составляет около 0,6) межбазового напряжения, он продолжает проводить до тех пор пока эмиттерный ток не упадет ниже некоторого минимального («ток впадины») значения. Схема классического генератора на ОПТ представлена на рис. 14.36, а с положительными импульсами в цепи базы 1, которые используются для переключения n-p-n-транзистора с целью формирования логических уровней.

Вы едва ли еще найдете ОПТ в каких-либо других схемах, поскольку и ОУ, и ИС типа 7555 могут выполнить эту задачу лучше. Однако существует необычная серия ОПТ, известная как программируемые ОПТ, в которых триггерные параметры (η, ток вершины и ток впадины) можно устанавливать с помощью внешнего делителя. Прибор 2N6028 в частности предназначен для пиковых токов порядка 0,1 мкА и может, следовательно, работать в режиме генератора с током, не превышающем микроампер. На рис. 14.36, б изображен генератор на частоте 10 Гц с выходными КМОП-логическими уровнями и рабочим током 1 мкА, посмотрите также рис. 6.57, где мы использовали ОПТ в микромощном преобразователе.

Рис. 14.36. Релаксационные генераторы на однопереходном транзисторе.

 

Проектирование цифровых микромощных устройств

На первый взгляд проектирование микромощных цифровых устройств достаточно тривиальная задача: просто использовать КМОП-технологию везде, включая микропроцессоры и память. Правда? Почти так. КМОП-серии — это конечно правильный выбор, хотя биполярные логические схемы можно использовать в режиме с выключаемым источником питания. Но сейчас имеются особые разновидности КМОП-приборов и много ловушек, которые могут неожиданно возникать, так что при проектировании на КМОП-приборах можно получить все, что угодно, только не микромощное устройство. В этом заключительном разделе главы мы проведем обзор семейств КМОП-схем и способов проектирования на них, так что вы действительно добьетесь малого потребления мощности, что необходимо при использовании в качестве источника питания батареи.

14.15. КМОП-семейства

Как мы уже рассмотрели в гл. 9, имеется несколько КМОП-серий; выбор лучшей же серии зависит от вида конкретной прикладной задачи. Они представлены в табл. 9.1.

Серии 4000В/74С. Эта В - серия представляет собой модернизацию исходной КМОП-серии с металлическим затвором, в паспортных данных на которую указано, что она может функционировать при напряжениях источника питания от 3 до 15 В. Работа при предельном напряжении 3 В допустима, но, однако, сопряжена с высоким значением Z вых , плохой помехозащищенностью и малым быстродействием. На практике минимальное напряжение питания составляет 5 В. На верхнем же краю диапазона напряжений источника питания при переключении возникает значительный ток режима класса А и отмечается большая склонность к внезапному выходу схемы из строя от всплесков напряжений в цепи источника питания. Эти КМОП-семейства являются довольно привлекательными в смысле производительности выходного каскада, а именно ток в 1 мА или меньше при напряжении питания 5 В. Серия 74С по электрическим параметрам эквивалентна серии 4000В, включая и диапазон напряжений источника питания, но с реализацией логических функций и расположением контактов, как у 74 серии ТТЛ. Фирма Fair-child предлагает улучшенную серию — «Изопланарную С» (более быстродействующая при том же самом диапазоне напряжений), что делает и фирма Philips/Signetics (называется «LOCMOS» — МОП-структура с использованием локального окисления). Это единственная КМОП-серия, которая может работать в широком диапазоне наряжений питания; она идеальна при организации питания непосредственно от батареи с напряжением 9 В.

Серии 74НС и 74АС. «Быстродействующая» КМОП-серия с поликремниевым затвором (по быстродействию AС = 74LS, АС = 74F/74AS) работает в диапазоне напряжений питания от 2 до 6 В (или от 1,5 до 5 В) и на самом деле точно ориентирована на этот диапазон. Эти приборы являются достаточно сильными с хорошей защитой входных цепей и кажущейся свободой от ключевого режима с фиксацией состояния (тиристорного эффекта). Они имеют КМОП-пороги (т. е. половина напряжения U CC ) и размах уровней выходного сигнала, равный напряжению питания. Сама AС-серия реализует большинство функций популярной серии 4000В (например, 74НС4046), а также функций обычной серии 74LS.

Серии 74НСТ и 74АСТ. Это варианты серий НС и АС, но с входными ТТЛ-порогами для обеспечения совместимости с ТТЛ-приборами, т. е. когда в одной схеме требуется взаимодействие ТТЛ- и МОП-приборов. Поскольку микромощные схемы, как правило, не имеют каких-либо биполярных ТТЛ-приборов, вы всегда можете выбрать серию НС/АС, учитывая ее большую помехозащищенность. Для НСТ- и АСТ-приборов требуется питание 5 В ± 10 %.

Схемы специального назначения с низким порогом. Как мы покажем ниже, мощность рассеивания КМОП-приборов в динамическом режиме пропорциональна корню из напряжения питания. Это мощный (!) стимул для работы при низком напряжении источника питания, что является основанием для использования в наручных часах субмикроваттных кристаллов (напряжение источника питания 1,5 В) с функцией генератор/делитель. Эти замечательные ИС могут быть очень полезны и не только из-за дешевизны вследствие их крупносерийного производства.

M 2 L (логика Микки Маус). Не будем проводить обзор возможностей по использованию нескольких дискретных элементов для формирования или инвертирования логического уровня; на рис. 14.37 эта идея представлена. Это может быть в особенности полезно в тех случаях, когда вам необходимо обеспечить интерфейс между схемами с различными напряжениями источника питания. Вы можете даже создать импровизированные вентили и пр., добавляя на выходах диоды или параллельные транзисторы.

Рис. 14.37.

Выбор семейства. Используйте серию 4000В/74С, если для вас безразличны быстродействие или высокий уровень выходного тока или если вы хотите использовать нестабилизированные или высоковольтные напряжения источника питания. Воспользуйтесь серией НС (или АС), если требуется быстродействие или производительность по выходу, но следует отметить ее более ограниченный диапазон напряжений питания. Семейства АС (и ACT) привносят больше проблем вследствие емкостной связи и отражения (эффекты длинной линии), а также переходных процессов в цепи источника питания (колы), что обусловлено крутыми фронтами сигналов и «здоровенной» нагрузочной способностью выходных формирователей. Их следует по возможности избегать, если только без них абсолютно нельзя обойтись. Как правило, избегайте приборов с порогами ТТЛ (НСТ, ACT), если только они не предназначены для обеспечения сопряжения с биполярными ТТЛ-схемами или схемами на n-МОП БИС с логическими ТТЛ-уровнями.

14.16. Обеспечение работы КМОП-схем в маломощном режиме

Имеется несколько типовых рекомендаций, которых следует придерживаться для того, чтобы добиться работы КМОП-приборов в режиме с низким значением тока. Кроме того, стоит расширить вашу осведомленность о патологиях КМОП-технологии.

Типовая процедура проектирования.

1.  Обеспечьте в схеме как молено меньше точек с высокочастотными сигналами. КМОП-схемы не имеют тока покоя (иная природа, чем у тока утечки), но при переключении требуется ток для заряда внутренних (и нагрузочных) емкостей. Поскольку энергия, запасенная в конденсаторе, определяется как 1/2 CU 2 и равна количеству энергии, рассеянной резистивной цепью заряда, то рассеянная мощность определяется следующим образом:

P = U2CC fC ,

где f — частота переключений.

Следовательно, КМОП-приборы потребляют мощность пропорционально их частоте переключений, как показано на рис. 14.38 (сравните с рис. 8.18).

На их максимальной рабочей частоте они могут потреблять больше мощности, чем эквивалентные ТТЛ логические схемы. Эффективная емкость С зачастую приводится в паспортных данных и именуется как «емкость мощности рассеяния», к которой вы должны добавить и емкость нагрузки С н , а уж затем пользоваться приведенной выше формулой.

Рис. 14.38. Динамическая мощность потребления КМОП-схем.

2.  Внутри самой схемы поддерживайте все напряжения U CC и U ИИ одинаковыми. В противном случае вы можете иметь ток, протекающий через входные диоды защиты. Даже хуже, вы можете перевести кристалл в тиристорный ключевой режим с фиксацией состояния (см. приведенные ниже патологии).

3.  Позаботьтесь о том, чтобы размахи логических сигналов достигали уровней напряжения питания (максимальный перепад напряжения).

Перепады выходных сигналов КМОП-схем имеют максимальное значение. Уровни же выходных сигналов других приборов — биполярных ТТЛ-схем, генераторов, n-МОП-кристаллов — могут находиться где-то посередине, что приводит к появлению тока режима класса А и снижению помехоустойчивости.

4.  Не оставляйте свободными входные контакты. Неподключенные входы являются «врагами» микромощного режима работы, поскольку могут вызвать значительный ток режима класса А (и даже генерацию), как только плавающий потенциал на входе достигнет уровня логического порога. Привяжите неиспользуемые входные контакты к шине земли (или U CC , если это не приведет к чему-нибудь нежелательному).

5.  Приведите в порядок нагрузки с тем, чтобы сохранить в нормальном состоянии низкое значение тока потребления. Привязки к верхнему и нижнему уровням, светодиоды и выходные формирователи должны быть подключены так, чтобы в обычном состоянии ток был минимальным. Таким образом, например, используйте n-р-n- (а не р-n-р) транзистор для подключения высоковольтной нагрузки к узлу, который большую часть времени находится в низком состоянии.

6.  Избегайте медленных переходов. Снова ток режима класса А является основным виновником. Входной сигнал синусоидальной формы, поступающий на КМОП-триггер Шмитта, может привести к большому потреблению тока от источника питания.

7.  Введите токочувствительные резисторы в цепь питания U CC . При отказах определенного вида (см. ниже), в частности, которые приводят к статическим повреждениям, КМОП-кристалл может потреблять чрезмерный ток покоя; с помощью 10-омного резистора, включенного на каждой плате последовательно в цепь U CC (шунтированный со стороны нагрузки), можно легко выявить эту ситуацию. Подключение такого резистора к каждому кристаллу (обычно в этом случае нет необходимости в шунтировании) позволяет вам быстро обнаружить неисправный кристалл (рис. 14.39).

Рис. 14.39. Считывание тока питания («токовый шпион»).

8.  Экранирование тока покоя. Типовой логический КМОП-кристалл серии НС или 4000В имеет точно определенный ток I п , равный 0,04 мкА (тип.) и 5 мкА (макс). В большинстве случаев редко ток покоя имеет максимальное значение, но иногда это может произойти. Если вы работаете на низких частотах переключений (следовательно, низкий динамический ток) и требуется сравнительно низкий ток покоя, то вам может потребоваться экранирование входных кристаллов. Использование небольших последовательных резисторов, как рекомендовано выше, делает эту задачу гораздо более легкой. Мы отмечали, что в случае КМОП БИС (такие, как память большого объема) типовое значение тока покоя может быть близко к техническим требованиям фирм-изготовителей по максимальному току утечки — остерегайтесь!

9.  Блокировка источника питания по превышению лимита времени. Вы можете сэкономить много мощности, если позаботитесь о том, чтобы прибор выключался, когда его никто не использует. На рис. 14.40 показана простая КМОП-схема блокировки по превышению лимита времени, которая отключает коммутируемый источник питания с напряжением +9 В через час после включения прибора.

Рис. 14.40. «Выключение источника питания через час».

Вы должны были бы предусмотреть это в переносном приборе (например, универсальном измерительном приборе). Он использует схему 4536-генератор/делитель/одновибратор для сброса триггера, который управляет источником питания прибора. Схема работает при напряжении +3 В, с тем чтобы поддерживать потребление тока на уровне ниже 5 мкА. Использование выхода одновибратора предотвращает логические гонки (фронтов сигнала) и импульсы, а цепь «8-шунтирование» используется для тестирования схемы с помощью укорачивания этой задержки до 15 с. КМОП-ключи при низком токе покоя обеспечивают легкое сопряжение с источником питания.

Патологии КМОП-технологии и виды отказов. КМОП-схемы странно ведут себя в некоторых обстоятельствах, они могут отказывать самыми сверхестественными способами. Один из видов отказа — это катастрофическое увеличение их мощности рассеяния. Далее дается их краткое изложение.

1.  Тиристорный ключевой режим с фиксацией состояния. Это главная угроза для маломощного режима работы. Кремниевая подложка образует диодные переходы с элементами КМОП-схемы, образуя паразитную схему тиристорного типа (рис. 14.41), которая может включиться в тяжелых условиях. Она потребляет ток, как правило, 20-200 мА (большее значение для более новых КМОП-семейств) через входные (или выходные) диоды защиты (рис. 3.50), что обеспечивает включение паразитного тиристора.

Рис. 14.41. Паразитный 4-слойный однооперационный тринистор, образующийся в КМОП интегральных схемах.

(Из. Арр. Note 339. National Semiconductor C orp.)

Раз он остается в тяжелых условиях по электропроводности цепи питания, с напряжением приблизительно 1 В (от источника питания на землю), то это часто приводит к разрушению самой ИС (или даже источника питания). Для предотвращения этого тиристорного ключевого режима с фиксацией состояния, спроектируйте ваши схемы с последовательными входными токоограничивающими резисторами, которые устанавливаются в таких местах, как внешние входы, входы, которые могут быть перегружены, выходы, с которых сигналы выходят за пределы платы или в другие части схемы, питание которых производится от отдельных источников. Неблагоприятные условия по нагрузкам, которые могут возбуждать токи в КМОП выходных цепях, являются потенциальными причинами ключевого режима. Например, использование токового выхода КМОП цифро-аналогового преобразователя (работающего от напряжения +5 В и земли) для запитывания контакта суммирования ОУ (питание которого осуществляется от биполярного источника) кажется достаточно «разумным» решением; но при включении питания вы можете получить мгновенный ток, втекающий в этот вход ОУ, что переводит ЦАП в ключевой режим. Решением здесь может быть добавление диода Шоттки, подключенного на землю. (Новейшие цифро-аналоговые преобразователи спроектированы с соответствующей защитой; поищите в их описаниях фразу типа «защита Шоттки не требуется».) Другое место, где можно наткнуться на ключевой режим с фиксацией состояния, это при переключении больших индуктивных нагрузок с помощью мощных полевых транзисторов с МОП-структурой, чьи большие емкости обратной связи приводят к появлению высоких динамических токов на вентиле — формирователе (т. е. КМОП логическом выходе) в течение переходных процессов. См. ниже разд. «Сигнальная связь», где описан другой сценарий возникновения ключевого режима с фиксацией состояния.

Очень просто получить ключевой режим с фиксацией состояния и при подсоединении печатной платы к находящемуся под питанием разъему, поскольку сигнальная шина может подключиться раньше шины источника питания. (Для схем любого вида это плохая привычка подсоединять или отсоединять платы или модули при включенном питании.) При проектировании на КМОП-приборах стоит изучить официальные технические руководства, где описан этот ключевой режим с фиксацией состояния. В более новых типах КМОП-схем с поликремниевым затвором применены очень эффективные схемы защиты и некоторые фирмы-изготовители (например, National) утверждают, что их серии НС/НСТ или AC/ACT не могут быть переведены в ключевой режим с фиксацией состояния.

2.  Сигнальная связь. Вследствие своих высоких полных сопротивлений КМОП-схемы склонны к емкостной связи соседних сигналов с крутыми фронтами, что приводит к выбросам в логическом сигнале. Например, привязки к верхнему и нижнему уровням с высоким полным сопротивлением допускают связь выбросов через емкость монтажа с ближайшими шинами, по которым проходят сигналы с крутыми фронтами; для борьбы с этим эффектом используйте небольшой (0,001 мкФ) шунтирующий конденсатор. Как правило, подходящий к панелям монтаж может привести к неисправности из-за этого механизма. Относительно высокая емкость может даже привести к связи с выходной шиной в особенности у КМОП-серий 4000В/74С, работающих при напряжении питания 5 В. В крайних случаях (например, переключение высоких напряжений с помощью реле в том же самом жгуте, где и логические уровни) связь может быть достаточной для вызывания тиристорного ключевого режима с фиксацией состояния.

3.  Фазовый сдвиг тактовых импульсов . Как мы уже упомянули в гл. 9, относительно высокое значение Zвых КМОП-серий 4000В/74С может привести к неисправностям в синхронных системах в особенности, если шина тактовой синхронизации имеет тяжелую емкостную нагрузку, что приводит к задержке сигналов тактовой синхронизации относительно сигналов данных. Относительно большой разброс логических порогов КМОП-схем только отягощает эту ситуацию. В системах с нестабилизированным батарейным питанием важно проверить надежность функционирования схемы во всем диапазоне напряжения источника питания. Это неожиданно, но ситуация имеет тенденцию к ухудшению при более высоком напряжении U CC , когда задержки сигналов данных и времена переходных процессов становятся короче. Это один из аргументов для применения стабилизированных источников питания в питаемых от батареи КМОП-системах.

4.  Виды отказов. Неисправность на входе может вызвать входной ток утечки (или короткое замыкание) на U ИИ или на U CC . Повреждение выходного каскада часто является причиной существенного тока покоя. Это может привести к холостому ходу одного из формирователей, так что он не может быть ни источником, ни потребителем тока. В такой ситуации может быть ток покоя только в одном состоянии. Токочувствительные резисторы в цепях U CC , как это рекомендовано выше, облегчат задачу «выследить» и «поймать» эти неисправности. При использовании этого метода отметим, что легко быть одураченным, поскольку симптомом поврежденного входа может быть ненулевой ток покоя в здоровом кристалле, который работает на поврежденный.

Поврежденный КМОП-кристалл может работать только при очень низких скоростях (повреждение формирователя) или только на очень высоких частотах (повреждение входного каскада, отсутствие связи по постоянному току, емкостная связь). Аналогичный симптом может иметь место, если вы забыли подключить входной контакт: сама схема может «работать» на высоких скоростях благодаря емкостной связи фронтов (рис. 14.42). Привязка к нижнему уровню будет выявлять эту проблему, предотвращая флуктуации входного потенциала к порогу срабатывания. Как было показано в разд. 8.35, забывчивость подключения напряжения U CС приводит к сверхестественным симптомам, поскольку кристаллы могут получать питание через свои логические входы (через входные диоды защиты); хотя это питание пропадает, если все входы одновременно перевести в НИЗКОЕ состояние.

Рис. 14.42.

14.17. Микромощные микропроцессоры и периферийные устройства

Многие стандартные микропроцессоры имеют КМОП-эквиваленты. Следовательно, на первый взгляд могло бы показаться, что легко проектировать на микропроцессорах маломощные схемы. В действительности же большинство из этих КМОП-микропроцессоров представляют собой просто аналоги — контакт в контакт — процессоров, первоначально разработанных по n-МОП-технологии, и в большинстве случаев они не ориентированы на работу при батарейном питании, например не способны работать при низкой частоте тактовой синхронизации. Некоторые даже и не маломощные — например, схема 68020, которая рассеивает мощность приблизительно 1 Вт.

Поскольку мощность рассеивания КМОП-приборов обычно пропорциональна частоте тактовой синхронизации, то первый вопрос, на который следует дать ответ, — какую мощность потребляет схема при выключении сигнала тактовой синхронизации? Если в самом кристалле используется КМОП-технология из-за ее хороших электрических характеристик, но он не был предназначен для прикладных задач с крайне малой мощностью потребления, то в него могут входить некоторые не КМОП-схемы, которые приводят к значительной мощности рассеяния в статическом режиме. Остерегайтесь также тех кристаллов, в которых используется тактовая синхронизация неявным образом: в качестве примера можно привести (непрерываемый) строенный 16-разрядный счетчик, который совместим с микропроцессорами (шесть портов с третьим состоянием, разрядностью в байт, плюс порты управления). Он потребляет ток 10 мкА при остановленной тактовой синхронизации; однако сюрприз состоит в том, что для него необходимо тактовое колебание, даже когда он не общается с процессором. В его технических данных не указано, что сама тактовая синхронизация используется для синхронизации входов и что эта частота должна быть по крайней мере в три раза выше скорости счета. Таким образом, необходимо подавать на него высокую тактовую частоту, чтобы он функционировал как счетчик, а это приводит к избыточной мощности рассеяния.

Второй вопрос, на который следует ответить, — это насколько низкой может быть частота тактовой синхронизации, чтобы при этом сохранялись разумные рабочие характеристики? В состав некоторых процессоров могут входить динамические регистры, для которых предписана высокая минимальная частота тактовой синхронизации. При низкой частоте тактовой синхронизации некоторые процессоры (в частности, типа «контроллеров» — см. ниже) могут реагировать очень медленно; вы можете получить при прерываниях время задержки до 10 мс.

Зависимость компьютера от контроллера. Как правило, микропроцессоры делятся на две категории, согласно тому для каких целей они спроектированы. Типы, ориентированные на вычисление, имеют адресное пространство по крайней мере в 64К и используют только несколько циклов тактовой синхронизации на инструкцию (для достижения высокого быстродействия). Для них требуются внешние периферийные устройства, а именно: порты, таймеры, преобразователи и т. д. Ориентированные на управление типы предназначены для целевого использования в определенных приборах и обычно имеют небольшое адресное пространство (в типовом случае 2К или 4К), и выполнение одной инструкции проводится за много циклов тактовой синхронизации. С другой стороны, для них характерно наличие многочисленных встроенных параллельных портов, большого числа контактов прерываний и внутреннего формирователя тактовой синхронизации. В них часто входят таймеры, УАПП и даже аналого-цифровые преобразователи и энергонезависимое ОЗУ.

Некоторые примеры. Схемы 80C85, 80C86 и 80C88 представляют собой КМОП-аналоги популярных n-МОП вычислительных процессоров. ИС 80C85 (фирма Oki) при остановленной тактовой синхронизации потребляет ток 2 мА и 10 мА — при частоте тактовой синхронизации 6 МГц. Он может быть непригоден для микромощных применений, если только вы не используете его в режиме с отключением питания. Схемы 8C86 и 80C88 (фирмы Harris, Intel) лучше — имеют статический ток потребления ~0,1 мА (хотя он задается как 0,5 мА, макс). У них вы можете с целью экономии мощности останавливать тактовую синхронизацию, при этом сохраняется содержимое регистров и программных счетчиков.

Имеется тонкость в восстановлении на входе остановленного процессора сигнала тактовой синхронизации. Для обеспечения низкого значения мощности потребления в режиме резервирования вы должны выключать кварцевый генератор, а не только стробировать его выходной сигнал (конечно, вместе со схемой синхронизации; см. разд. 8.19). Однако из-за высокой добротности кварцевый генератор не может запуститься мгновенно, и генератор мегагерцевого диапазона частот в типовом случае имеет время восстановления от 5 до 20 мс; генератор с частотой 32 кГц может иметь это время до секунды (Q = 105). Следовательно, для восстановления сигнала тактовой синхронизации вы можете или подождать пока генератор «наберет скорость» перед стробированием его с помощью микропроцессора, или вы можете установить процессор в исходное состояние в течение этого периода. Первый метод обычно лучше, поскольку вы можете и не захотеть проводить перезагрузку каждый раз, как нужно запустить обработку (см. ниже «Отключение источника питания» — метод «теплой» загрузки).

Схема 82С85 (фирма Harris) представляет собой маломощный формирователь тактовой синхронизации, ориентированный на работу с микропроцессорами 80C86/88; его внутренняя схемотехника выполняет выключение тактовой синхронизации, остановку генератора (~25 мкА), работает на низких частотах и имеет дополнительные средства для микропроцессорного программного управления.

Схемы 80CЗ1/51 — это примеры популярных процессоров типа контроллера, спроектированные со специальными характеристиками и ориентированные на батарейное питание. В эти процессоры входит вплоть до 32 программируемых контактов шины ввода-вывода (ВВ), пара 16-разрядных таймеров, 128-байт встроенное ПЗУ (они могут использовать порты как мультиплексные шины для адресации 64К внешней памяти; схема 80C51 имеет, кроме того, масочное программируемое ПЗУ объемом 4К байт), 5 прерываний и программируемый последовательный порт. Они могут быть переведены в маломощный режим «ожидания» (< 1 мА при частоте тактовой синхронизации 1 МГц), в котором прерывания, последовательный порт и таймеры продолжают функционировать, в то время как тактовая синхронизация самого процессора прервана; содержимое всех регистров и встроенного ОЗУ сохраняется. Они также могут быть переведены в режим «выключения питания» с нулевым током, из которого их можно вывести только путем полного сброса, но при котором сохраняется содержимое внутреннего ОЗУ.

Схема 146805Е2 представляет собой аналогичный контроллер с прекрасной способностью по восстановлению из режима «остановки» с нулевой мощностью потребления через прерывание. В нем имеется внутренняя схемотехника формирования периода ожидания перед возобновлением обработки после запуска генератора. В технических условиях на него записано, что время запуска в типовом случае составляет 30 мс (300 мс макс.) при f такт = 1 МГц, UCC = 3 В. Это, очевидно, непригодно для прикладной задачи, где требуется многократный запуск, скажем, 10 раз в секунду, но это было бы прекрасно при запуске системы раз в минуту. В серию 14805 входят различные модификации (определяется суффиксом) с отличными конфигурациями порта и памяти, маскируемым ПЗУ и т. д. Мы используем его в приведенном в следующем разделе примере проектирования.

В табл. 14.9 приведено большинство из наиболее интересных маломощных микропроцессоров, имеющихся в наличии на момент сдачи этого издания в печать.

Отключение источника питания. Конечно, вы можете заставить любой микропроцессор работать при низкой средней мощности, если включать источник питания только в течение короткого рабочего цикла. Это более просто сделать для n-МОП-схем, чем для КМОП, поскольку входы, такие, как WR', могут оставаться в ВЫСОКОМ состоянии при выключенном питании (для КМОП-схем такая ситуация привела бы к появлению питания на кристалле через входные диоды защиты), препятствуя подложным циклам записи. Следовательно, для КМОП-схем необходимо использовать внешние логические схемы, которые обеспечат аккуратное выключение. В любом случае надлежит решить вышеупомянутую проблему запуска тактовой синхронизации, которую вы можете решить с помощью внешних логических схем задержки, либо с помощью кристалла типа 82С85.

Мало кому понравится проводить полную «холодную» перезагрузку программного обеспечения на каждом цикле перезапуска. Лучший способ справиться с этим — это заставить ЦПЭ считывать с триггера «флаг включения питания» (постоянно включенные КМОП-схемы) на каждом перезапуске, проводя холодную загрузку только первый раз, после которого он устанавливает этот триггер.

Для n-МОП-процессоров с отключаемым источником питания вы должны во время «спячки» процессора хранить запускаемые фронтом запросы прерывания во внешних логических схемах, обслуживая их, когда процессор снова запущен. Вам возможно потребуется использовать этот же прием и для некоторых КМОП-процессоров, а именно для тех, которые теряют запускаемые фронтом прерывания в течение режима ожидания и остановки.

При отключении питания от n-МОП-процессоров, которые в типовом случае потребляют ток 100 мА или больше, позаботьтесь о применении хорошего «дюжего» полевого МОП-транзистора с сопротивлением R вкл < 3 Ом при 5 В возбуждения на затворе.

Периферийные КМОП-устройства. Многие маломощные КМОП-кристаллы периферийных устройств представляют собой просто КМОП-копии их n-МОП аналогов, например параллельные порты 81С55 и 85С55. Их технические условия тоже почти точная копия исходных материалов по n-МОП-аналогам, правда с некоторыми изменениями. Зачастую эти технические условия не вполне корректны. Например, в них может задаваться выходной втекающий ток 2 мА при напряжении 0,4 В и вытекающий ток 100 мкА при напряжении 2,4 В, тогда как в действительности их формирователи с p-каналом могут обеспечивать вытекающий ток 2 мА, в частности, при напряжении 2,4 В. Входные пороги также могут быть перепутаны. Другая вещь, о которой следует побеспокоиться при использовании КМОП-приборов, является склонность к наводке плавающих потенциалов на входах при третьем состоянии шины. Фирма Harris и Intel добавляют в схему цепь «поддержки шины», которая вводит небольшую положительную обратную связь на вход для предотвращения появления тока режима класса А из-за плавающего потенциала на входах.

Остерегайтесь периферийных КМОП-устройств, которые потребляют ток «покоя», поскольку в них имеется тактовая синхронизация. Например, УАПП типа 65С51 и 82С52 потребляют ток около 2 мА на их рекомендованной частоте генератора (1,84 МГц при 1,4 мА/МГц для 65С51). Вы могли бы и выключить генератор, но тогда УАПП не смог бы принимать данные, например команду на включение. Другими периферийными КМОП-устройствами с токами покоя от 1 до 5 мА являются аналого-цифровые преобразователи, модемы видеоадаптеры, ЭСППЗУ и шифраторы клавиатуры. Сложные системы с несколькими такими приборами могут потреблять ток покоя 25–50 мА, что приводит к сроку службы 9-вольтовой батареи всего 10 ч. Если это вас устраивает, то прекрасно; в противном же случае необходимо отключать источник питания. Но будьте внимательны — входы и выходы могут себя вести дурно; например, шинные формирователи АЦП с третьим состоянием могут перейти в НИЗКОЕ состояние, когда отсутствует питание этого АЦП (в этом случае используйте отдельный КМОП формирователь третьего состояния).

Формирователи сигналов стыка RS-232 традиционно представляют собой мощные приборы: классический счетверенный формирователь 1488 потребляет ток в статическом режиме ±20 мА без учета тока нагрузки, а счетверенный приемник 1489 потребляет ток 15 мА. Некоторые современные кристаллы стыка RS-232 работают с малой мощностью потребления. Здесь описывается несколько их хороших разновидностей:

МС145406 фирмы Motorola. Он представляет собой строенный КМОП-формирователь/приемник, который будет работать при напряжениях источника питания от ±5 до ±13 В и имеет мощность рассеяния не более 15 мВт во всем этом диапазоне. Выходные КМОП-формирователи дают перепад выходного сигнала в пределах общего перепада напряжения питания, так что вы можете получить требуемый размах сигналов стыка RS-232 даже при напряжении питания ±5 В. Различные приемы были использованы в этой конструкции, с тем чтобы обеспечить работу КМОП-схемы с общим напряжением питания вплоть до 26 В, и допустить размах сигнала на входе на 20 В выше этого перепада напряжения.

LT1032. Это счетверенный биполярный формирователь сигнала стыка RS-232 с диапазоном напряжения источника питания от ±5 до ±15 В и током покоя 0,5 мА. Его можно выключать (нулевой ток) с помощью контакта управления; при выключении сами выходы переходят в третье состояние.

LT1039. Это строенный биполярный формирователь/приемник с диапазоном напряжений питания от ±5 до ±15 В и током покоя 4 мА. Аналогично схеме LT1032 у него имеется контакт выключения. В нем также предусмотрен контакт управления, который позволяет оставлять один из приемников во включенном состоянии, в то время как остальная часть кристалла отключается; вы можете использовать это для включения остальной части самого кристалла, когда что-нибудь поступает на вход. В выключенном режиме выход переходит в состояние с высоким полным сопротивлением.

Серия MAX230-239/ICL232; LT1080/1. Эти приборы, выпускаемые фирмами Maxim, Intersil и Linear Technology, представляют собой сдвоенные формирователи/приемники с внутренними преобразователями напряжения, так что они могут работать от единственного источника питания с напряжением +5 В, выдавая выходные сигналы с размахом ±9 В. Все они, за исключением МАХ233 и 235 (которые имеют встроенные конденсаторы), требуют подключения к преобразователям напряжения четырех внешних танталовых конденсаторов; их выходные сигналы с напряжением ± 9 В пригодны для питания низкотоковых нагрузок. Их ток покоя составляет 5 мА. Части этих кристаллов, а именно преобразователи напряжения, выпускаются отдельно, как схема МАХ680 или LT1026,- преобразователи единственного напряжения +5 В в сдвоенное напряжение ±10 В; их можно использовать для организации питания всех других приведенных выше кристаллов стыка RS-232.

DS14C88/89. Фирма National переработала по КМОП-технологии свою классическую биполярную схему с аналогичным наименованием. Формирователь 14С88 работает при напряжениях источника питания от ±4,5 до ±12 В, вырабатывая обычный для КМОП-схем размах сигнала до напряжений питания. При напряжении питания ±5 В этот счетверенный формирователь потребляет ток 30 мкА, макс, (ненагруженный), в то время как приемник потребляет 0,9 мА, макс, от его единственного источника питания с напряжением +5 В. (Фирма National также выпускает КМОП-кристаллы стыка RS-422 (DS26C31-32).)

14.18. Пример проектирования на микропроцессоре: регистратор данных типа «градус-день»

Давайте приведем пример разработки, где все вышеприведенные идеи сведены воедино. Мы разработаем небольшой регистратор данных с питанием от батарей, чья задача проводить текущий контроль температуры окружающей среды единожды за минуту, сохраняя средние значения «градус-день» в ОЗУ для последующего считывания их через последовательную систему передачи. Вы могли бы разместить такой прибор в удаленном месте, нанося ему визиты дважды в год, во время которых вы считываете его данные в портативный компьютер. Или вы могли предпочесть «собрать урожай» этих регистраторов, а затем считать их данные, после того как принесете их снова домой.

Прибор будет работать на трех щелочных C-элементах, со сроком службы батареи по крайней мере год. Для поддержания потребляемой мощности на низком уровне мы будем использовать КМОП периферийные устройства и КМОП-микропроцессор типа контроллера со встроенными режимами остановки. Применим режим включения источника питания самого ЦПЭ и схем предварительной обработки в течение кратковременных интервалов сбора данных, с запуском его от маломощного кристалла хронометрирования. Поскольку последовательный порт будет использоваться только время от времени, мы сделаем также и здесь выключение источника питания. Наша частная схема не является никоим образом уникальной; наряду с ней мы рассмотрим и альтернативные схемные решения.

ЦПЭ. На рис. 14.43 показана схема нашей разработки.

Рис. 14.43. Пример схемы на универсальном микромощном процессоре

Мы начали с выбора КМОП-контроллера МС146805 фирмы Motorola, который предназначен для работы при напряжении питания вплоть до 3 В, в него входят встроенные схемотехнические решения для перехода в режим ОЖИДАНИЯ (малая мощность, работают генератор и таймер) или режим ОСТАНОВКИ (нулевая мощность, генератор остановлен, восстановление только через прерывание или сброс). В модификации с суффиксом - Е2 используются внешние ПЗУ и ОЗУ, но она имеет и внутреннее ОЗУ объемом 112 байт. При работе с источником питания напряжением 5 В ЦПЭ потребляет при функционировании ток 7 мА (тактовая синхронизация с частотой 5 МГц), в режиме ОЖИДАНИЯ-1 мА и в режиме ОСТАНОВКИ — 5 мкА. Поскольку нам необходимо регистрировать данные в течение только нескольких миллисекунд раз в минуту, а восстановление из режима ОСТАНОВКИ (благодаря запуску кварцевого генератора) занимает в типовом случае 30 мс, мы минимизируем мощность потребления с помощью использования формируемого внешней схемой прерывания, которое подготавливает прибор к каждому измерению.

Альтернативное решение — использование формируемого с помощью таймера ЦПЭ в режиме ОЖИДАНИЯ прерывания — обеспечивает средний ток потребления ЦПЭ по крайней мере 1 мА, что соответствует сроку службы батареи С-элементов только полгода. Этот срок можно, конечно, довести и до года, т. е. используя D-элементы; другое решение могло бы быть связано с работой на более низкой частоте генератора (скажем, 1 МГц), где ток в режиме ОЖИДАНИЯ существенно ниже. Еще одна возможность - это работа при напряжении питания 3 В, где ток потребления в режиме ожидания составляет приблизительно 150 мкА при тактовой частоте 1 МГц. Любое из этих решений вполне хорошее. В этом же примере мы будем придерживаться методов выключения питания, поскольку удастся продемонстрировать дополнительные технические приемы. При этом также получается приемлемая система хронометрирования с помощью кристалла календаря.

Тактовая синхронизация календаря. Для обеспечения тактовой синхронизации календаря нам требуется кристалл, который не только может сохранять временные параметры при низком токе потребления (все кристаллы календаря делают это), но также может обслуживать прерывания во время режима потребления малой мощности. Поскольку поначалу кристаллы календаря предназначались для компьютеров, работающих от сети переменного тока, где имеется изобилие мощности, когда ЦПЭ функционирует, то многие кристаллы не могут обслуживать прерывания в режиме малой мощности (батарейное резервирование). Мы сначала рассмотрим схему ICM7170, прекрасный кристалл календаря фирмы Intersil; он обрабатывает прерывание в режиме малой мощности, но имеет неуклюжую схему питания при работе от единственной батареи. «Вечно популярная» схема ММ 58274 фирмы National не может обрабатывать прерывание в режиме резервирования. Мы, наконец, решили остановиться на схеме МС14618 фирмы Motorola - это популярный прибор, который выпускается по крайней мере еще двумя другими фирмами-изготовителями и предназначен для использования с кристаллами ЦПЭ типа МС146805. Схему можно оставить работающей и при полном напряжении питания, она обеспечивает низкий ток потребления (50 мкА, макс, на частоте 32 кГц, внешний генератор), когда не снят запрет.

Фирма Motorola «любит» отображение в памяти устройств ВВ (ввода-вывода) и их схема МС146608 не является исключением. При этом отсутствует стробирование ввода-вывода, что предпочитает делать фирма Intel; вместо этого вы кодируете некоторую часть пространства памяти как «пространство ВВ». Только при использовании нескольких приборов ВВ в этой системе вы сможете запутаться при декодировании ВВ, как мы установили в разд. 10.06. Тогда мы поставим УАПП на «дно» внешней памяти (кристалл ЦПЭ резервирует нижние 80 байт для внутренней памяти и портов), а тактовая синхронизация календаря занимает ячейку 80Н, при этом используется тот же самый `НС139 — дешифратор, который разрешает доступ к памяти (см. ниже).

Память. В качестве стираемого программируемого ПЗУ мы использовали стандартную схему 27С64 (8Кx8), только нижняя четверть которой адресуется через 11-разрядную шину, к которой мы подключены (мы использовали верхнюю часть адресного пространства для устройств ВВ). ПЗУ меньшего объема было бы предпочтительнее, но фирмы-изготовители схем памяти, как правило, прекращают выпуск памяти меньшего объема, как только они осваивают выпуск кристаллов памяти большего объема. Для схемы 27С64 точно определен ток I СС = = 100 мкА, макс, когда отменен ее выбор; в действительности же статический ток потребления не превышает 10 мкА.

Следует отметить, фиксирование младшего адресного разряда из мультиплексной шины ЦПЭ и перекодирование пары сигналов фирмы Motorola (R/W', DS) в пару сигналов фирмы Intel (RD', WR'), которое удобно выполнить на половине дешифратора `НС 139 (другая половина делает адресное декодирование).

Внешнее КМОП ОЗУ (необязательно и не показано) расположено ниже ПЗУ в адресном пространстве (см. рис. 14.44) и подключено к той же самой шине, за исключением декодирования адреса. Еще раз о том, что ОЗУ меньшего объема было бы предпочтительнее, но формы-изготовители кристаллов не содействуют этому.

Рис. 14.44. Пример распределения памяти микропроцессора.

Последовательная передача. Для последовательной передачи (разд. 10.19) нам необходим УАПП и биполярный формирователь/приемник стыка RS-232. Поскольку последовательный порт будет использоваться только время от времени (в течение считывания и инициализации), то его можно оставить в выключенном состоянии, приводя с помощью ЦПЭ контроль подсоединения к нему какого-либо узла во время части его периодических рабочих циклов (раз в минуту). Одна возможность тогда заключается в использовании обычного УАПП (например, 8251) с управлением выключения источника питания с помощью бита с выходного порта самого ЦПЭ. Эта прекрасная идея, хотя вы должны быть осторожны, поскольку при выключенном питании УАПП не нагружает шину (или получает питание от нее, как это делает КМОП-кристалл). Хороший способ решить эту проблему заключается в использовании на шине НС буферов с третьим состоянием, включаемых между самой шиной и отключаемым от питания УАПП, переводя их в состояние с высоким полным сопротивлением на время выключения питания (рис. 14.45).

Рис. 14.45. Развязка шины данных от периферийного оборудования с отключаемым питанием.

В этом примере мы выбрали более простое решение, а именно используем КМОП УАПП, который оставляется под питанием все время, переключая генератор только тогда, когда используется последовательный порт; результирующий ток покоя, хотя он и не определяется в технических условиях, в типовом случае не превышает 20 мкА. Для простоты также оставим под питанием большую часть стыка RS-232. Формирователь является одной из секций маломощного счетверенного блока с управляемым выключением; в отключенном состоянии определен ток покоя, который равен 1 мкА (тип.), 10 мкА (макс). Отрицательное напряжение источника питания обеспечивается инвертором напряжения типа 7662, отключение питания которого осуществляется под управлением одного из битов порта ЦПЭ; хотя технические требования устанавливают ток I п = 20 мкА (тип.), максимальный ток I п   составляет 150 мкА, это достаточный довод в пользу отключения питания от той части схемы, которая должна использоваться 10 мин в год! Отметим наличие токоограничивающего резистора с номиналом 100 Ом, поскольку нагрузка представляет собой короткое замыкание при начальном включении источника питания. Приемник стыка RS-232 мы создали на основе НС логического инвертора с фиксатором на диоде Шоттки и токового ограничителя при биполярном входном сигнале.

При оставлении приемника под питанием мы сможем определить, когда что-нибудь подключено к самому последовательному порту, поскольку «спящее» состояние стыка RS-232 («маркер» — отрицательное напряжение по крайней мере 3 В) приводит к появлению на выходе инвертора ВЫСОКОГО уровня (отметим привязку к верхнему уровню на входе). Вот почему выход инвертора кроме возбуждения самого УАПП подключен и к входному порту ЦПЭ. Конечно, и сам ЦПЭ мог бы распознать этот факт, но только в течение короткого интервала времени (< 1 с) каждую минуту, когда он «разбужен». Следовательно, на практике при подключении к последовательному порту пользователь должен иметь некоторое терпение, т. е. подождать пока это не произойдет.

Устройства предварительной обработки. В качестве датчика мы выбрали температурно-чувствительный источник тока LM334. Ток этого двухконтактного источника пропорционален абсолютной температуре и устанавливается с помощью единственного резистора R ycт : I (мкА) = 227T/R ycт , где температура Т измеряется в Кельвинах, а сопротивление R ycт - в омах. Он имеет податливость напряжения от 1 до 40 В и начальную точность 6 %.

В качестве АЦП мы выбрали простой AD803 — дешевый (меньше 5 долл.) преобразователь с последовательным приближением, внутренним формирователем тактовой синхронизации, выходами с тремя состояниями и единственным источником питания с напряжением +5 В. Он имеет удобный дифференциальный вход, со схемами установки полномасштабного диапазона. Поскольку он потребляет ток 1 мА, мы применили выключение источника питания — управление с помощью разряда порта ЦПЭ.

В этой реализации мы выбрали R ycт = 226 Ом, т. е. 1 мкА/К. Разумный диапазон измеряемых температур лежит в пределах от —20 °C до +50 °C, что соответствует диапазону изменения тока от 254 мкА до 324 мкА. Он должен быть согласован с входным диапазоном АЦП. Используемый конкретный АЦП имеет полномасштабный диапазон аналогового (опорного) напряжения 2U оп , когда используется внешний источник эталонного напряжения U оп ; к тому же структура дифференциального входа позволяет добавлять смещение на вход. В наиболее простой конфигурации, как это показано на рисунке, подается напряжение смещения, равное U оп ; т. е. диапазон аналогового входного сигнала лежит в пределах от U оп  до 3U оп . При использовании нашего источника питания с напряжением +4,5 В, эталонное напряжение 1,23 В обеспечивается источником эталонного напряжения на запрещенной зоне, скажем, LM385-1,2. Тогда диапазон аналогового входного сигнала составит от 1,23 до 3,69 В. Остальное просто, а именно, выбирая соответствующий нагрузочный резистор, установим нижнюю границу выходного сигнала самого датчика на напряжение 1,23 В, затем, добавляя каскад дифференциального усиления постоянного тока, установим верхнюю границу выходного сигнала датчика на напряжение 3,69 В. В соответствии с этим нагрузочный резистор датчика должен быть 4,84 кОм, за ним следует каскад с усилением напряжения K U = 7,26, как указано на схеме. Подстроечная регулировка нагрузочного резистора в диапазоне +10 % необходима, с тем чтобы согласовать начальные ошибки (LM334 — 6 %, LM385 — 2 %, смещение ОУ — 1 %). Следует отметить необычную конфигурацию во входной цепи автоматического регулятора напряжения, который обеспечивает нулевую точку усилителя постоянного тока, равную эталонному напряжению, в то же время обеспечивая смещение эталонного источника.

 Упражнение 14.1. Проверьте сами наши арифметические вычисления температурного диапазона, который обеспечивается приведенными на рис. 14.43 номиналами резисторов.

Отметим, что мы сопрягли АЦП через шину параллельного порта, а не более обычным способом, т. е. используя шину данных ЦПЭ. Мы сделали это так, поскольку иначе бы при отключенном питании АЦП нагружал эту шину. Быстродействие в этой прикладной задаче не важно (особенно поскольку время запуска генератора ЦПЭ может достигать 250 мс), а сама шина порта доступна и не используется.

Потребляемая мощность. В табл. 14.10 дано распределение тока потребления в каждом из этих трех рабочих состояний. Следует отметить большой разброс между «типовым» и «максимальными» токами покоя. Если применены «типовые» ИС, то средний ток потребления (предполагая время «бодрствования» 500 мс за минуту) составляет 168 мкА или 3 года работы на щелочных С-элементах (4500 мА·ч). В худшем случае средний ток потребления равен 680 мкА (9 месяцев) — предельное значение для необслуживаемого регистратора данных. Конечно, «худший случай» означает, что ток покоя каждой ИС определяется по проектному пределу. Имеются два решения: а) использовать гораздо более энергоемкие батареи, с тем чтобы гарантировать для худшего случая удовлетворительный срок их службы; или б) предварительно тщательно отобрать (измеряя ток I п ) ИС, которые определяют срок службы батареи, в данном случае сам ЦПЭ. В большинстве случаев вы сможете, вероятно, выйти из положения, придерживаясь правила в) жить опасно; большинство ИС имеют гораздо меньший ток утечки, чем указано в технических требованиях для худшего случая.

Программирование. Программирование ПЗУ является непосредственным и повторяет основную структуру программно-аппаратных средств, которые мы уже рассмотрели в гл. 11. Однако имеется несколько дополнительных советов.

При выключаемом источнике питания позаботьтесь о выделении времени для восстановления работоспособности питаемого им прибора. Им может быть генератор на кварцевом резонаторе, в этом случае требуемая задержка может составить десятки миллисекунд. Инвертор напряжения 7662 в этой схеме имеет большие номиналы конденсаторов и потребуется несколько миллисекунд для установки его напряжения. Если отключаемый прибор подсоединяется к шине порта (как, скажем, АЦП), то разряды шины порта должны быть либо установлены в НИЗКОЕ состояние, либо запрограммированы как входные, перед тем как сам прибор отключится. Если для развязки шины используются формирователи с третьим состоянием, позаботьтесь о переводе их в состояние высокого полного сопротивления до снятия напряжения с самого прибора.

Упражнение 14.2. Нарисуйте структурную схему регистратора данных типа день-градус. Правильно проведите мероприятия на разрядах параллельного порта, перед тем как «отправить его спать». Не забудьте инициализировать тактовую синхронизацию календаря и УАПП. Позаботьтесь о проверке наличия подключения к последовательному порту во время каждого рабочего цикла.

Альтернативное проектирование. Как мы установили вначале, при работе с напряжением питания 3 В вместо 4,5 В (поскольку напряжение батареи со временем всегда падает, лучше всего сделать понижение исходного напряжения +4,5 В с помощью микромощного стабилизатора с малым переходным напряжением типа LP2951 или ILC7663), ЦПЭ мог бы находиться в режиме ОЖИДАНИЯ, а не в режиме ОСТАНОВКИ. В режиме ожидания (200 мкА, макс, при напряжении 3 В и частоте 1 МГц) внутренний генератор работает и поддерживает как прерывания, так и функцию внутреннего таймера. Таким образом, внешняя система тактовой синхронизации календаря могла бы быть заменена простым маломощным генератором на частоту 32 кГц и делителем (например, дешевой ИС ММ5368 в мини-DIP-корпусе) для обеспечения формирования 1 импульса прерываний в секунду; внутренний таймер должен тогда переводить ЦПЭ в рабочее состояние в программируемый интервал времени, как было и раньше. Следует отметить, что в представленной конструкции большая часть энергии батареи расходуется системой тактовой синхронизации календаря — относительно дорогой кристалл чрезмерной сложности.

Упражнение 14.3. Нарисуйте исправленную схему регистратора температуры, который «засыпает» в режиме ОЖИДАНИЯ.

Изготовители предлагают несколько современных кристаллов, которые позволят вам упростить схему последовательного порта RS-232. В состав схем серий LT1080 и МАХ230 формирователей/приемников стыка RS-232 входят внутренние инверторы напряжения и в некоторых моделях имеется управление их «остановкой» с I п = 1 мкА, тип. (10 мкА, макс). Мы могли бы, следовательно, заменить схему 7662 на ее дискретный аналог с выключением питания, а схему LT1032 — на единственную ИС МАХ235, в которую входят даже встроенные летающие конденсаторы. К несчастью, приемные секции последнего становятся «мертвыми» во время отключения, так что мы не можем использовать их также и для замены нашего приемника `НС04. В наличии имеются формирователи/приемники стыка RS-232, которые обеспечивают работу одного приемника («бездействие»?) во время микромощного выключения, например ИС LT1039; однако этот кристалл не дает решения проблемы в нашем случае, поскольку для него требуется непрерывная подача напряжения от источника питания во время режима бездействия, что потребовало бы непрерывной работы схемы 7662.

По поводу альтернативных решений последовательного порта стоит отметить, что вы можете в действительности исключить УАПП при использовании пары битов параллельного порта ЦПЭ для организации передачи и приема. Для реализации такого «программного» УАПП вы должны написать программное обеспечение для формирования и приема последовательных потоков бит. В обычной процедуре должна использоваться программная функция внутреннего таймера ЦПЭ, которая устанавливает подходящую символьную скорость. Функция передачи относительно тривиальна, поскольку вы только формируете «1» или «0» по каждому сигналу таймера. Приемная функция, оказывается, требует большего внимания, поскольку вы должны стробировать приходящий на порт бит с гораздо большей тактовой скоростью (в типовом случае в 8 раз выше символьной скорости), для того чтобы выбрать его значение вблизи середины двоичной посылки. Несмотря на проблемы с программированием, программная реализация УАПП часто более пригодна для небольших систем, поскольку позволяет отказаться от БИС.

Вместо прямых выходов стыка RS-232 в конструкцию мог бы входить отключаемый от источника питания модем, обеспечивающий подключение к телефонной линии. Прибор 74НС943 фирмы National был бы хорош в этом случае, обеспечивая ток покоя 8 мА при единственном источнике питания с напряжением +5 В. Пассивная схема «обнаружения вызова» (рис. 14.46) могла бы тогда заменить схему «обнаружения маркера» отрицательного уровня (см. рис. 14.43). Было бы лучше обеспечить запуск прерывания при обнаружении вызова, поскольку никому не понравится ожидать минуту, пока телефон ответит. В представленной конструкции присутствие маркирующего уровня (—3 В или более) могло бы также быть использовано для запуска прерывания.

Рис. 14.46. Обнаружение телефонного вызывного сигнала.

(С любезного разрешения. N. Jotikasthira и М. Bain , фирма Infinet. Inc .)

Упражнение 14.4. Покажите, как сделать запуск прерывания при поступлении маркирующего уровня. Позаботьтесь об обеспечении очистки прерывания программным способом.

Периферийный АЦП мог быть привязан к шине ЦПЭ (вместо порта), при этом КМОП-формирователи сигналов третьего состояния используются для формирования развязки отключаемого от питания прибора (рис. 14.45). Тот же самый прием можно было применить для минимизации потребления мощности от источника питания, если высококачественный УАПП (например, 85С30) как показано на рис. 11.13) подставляется вместо используемого здесь простого 85С52.

Немного философии: всегда соблазнительно постараться выжать последнюю каплю из микромощного проектирования, применяя дьявольские ухищрения в виде крайне маломощных приборов, отключения источника питания и др. Для нашей схемы вы смогли бы, вероятно, преуспеть в таком проектировании, где вместо С-элементов используются АА-элементы. Но крайние усилия (и цена) не имели бы в нашем случае значения, поскольку уменьшение на 20 % размера и веса не существенно для данной прикладной задачи. В действительности имело, вероятно, бы смысл еще больше упростить конструкцию, например, запитать ИС 7662 от того же самого отключаемого источника питания, что и периферийный АЦП, или даже оставить его под питанием постоянно.

 

Схемы, не требующие пояснений

14.19. Удачные схемы

На рис. 14.47 представлены некоторые удачные маломощные схемы.

Рис. 14.47. Удачные схемы, а — формирование напряжений +5 В и в диапазоне от -2 В до -4 В от единственной батареи 9 В; б — формирование напряжений +5 В от единственной батареи 9 В; в — широкодиапазонный наноамперметр (из PMI Арр. Note 106).