Схемы включения операционного усилителя.

Сумматор со многими входами. На вход сумматора (рис. 7) входные сигналы Uвх1, Uвх2 ,Uвх3 и т.д. поступают от нескольких источников с выходными сопротивлениями R1, R2, R3.

Неинвертирующий вход заземлен, поэтому согласно первого допущения, на инвертирующем входе ОУ напряжение также равно нулю, т.е. UА=0, следовательно, через сопротивления R1, R2, R3 проходят токи: I1=Uвх1/R1, I2=Uвх2/R2, I3=Uвх3/R3.

Согласно второго допущения, эти токи не входят ОУ, следовательно

Iос =I1 +I2 +I3= -Uвых/Rос

Отсюда следует, что

Uвых=-(Uвх1/R1+Uвх2/R2 +Uвх3/R3)Rос

При условии, R1= R2= R3=R, получим

Uвых=-(Uвх1+Uвх2+Uвх3)Rос/R

Таким образом, выходное напряжение в рассматриваемой схеме пропорционально сумме входных напряжений. Эта схема может быть применена как сумматор 3-х аналоговых сигналов.

Интегрирующий усилитель

Такой усилитель (рис. 8), выходное напряжение которого пропорционально интегралу от входного напряжения, можно получить заменой активного сопротивления обратной связи Rос конденсатором С.

Здесь потенциал точки А также равно нулю. Следовательно, через резистор R1 проходит ток

iR  Uвх/R1

Поскольку ток во вход идеального ОУ не втекает, то

iC = -iR.

Ток и напряжение на конденсаторе связаны соотношением:

iС = C dUC /dt

Решая, это уравнение относительно UC и учитывая, что напряжение на конденсаторе и на выходе одно и то же, получим:

Для проверки верности этой формулы можно на вход подавать синусоидальное напряжение: Uвх=Am sin t. Тогда на выходе получим:

Uвых=-Вm cos t,

где Вm= Аm /R1C. Здесь подразумевается что Вm не выходит за пределы линейного участка передаточной характеристики.

Дифференцирующий усилитель

Схема дифференцирующего усилителя на ОУ показана на рис. 8. Так как все напряжение источника входного сигнала Uвх практически приложено к конденсатору С, то величина тока, протекающего через конденсатор, определяется как

iС = C dUвх /dt

Этот ток не входит в ОУ, следовательно iC=-iос и Uвых = iос Rос =- Rос С(dUвх/dt).

Дифференцирующий усилитель может применяться для усиления высокочастотных гармонических сигналов, где коэффициент усиления определяется коэффициентом RосС.

5.Логические элементы. Схемотехника основных логических элементов.

В зависимости от типа используемых элементов различают диодно-резисторную логику (ДРЛ, в схеме участвуют только сопротивления и диоды), резисторно-транзисторную логику (РТЛ, только сопротивления и транзисторы), диодно-транзисторную логику (ДТЛ, участвуют все элементы – диоды, сопротивления, транзисторы) и транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ).

Каждый из базовых логических элементов (элементы Шеффера и т.п.) могут быть реализованы посредством одной из этих логик.

Каждая из логик имеет свои плюсы и минусы: диодно-транзисторная логика надёжна и безопасна, но имеет слабые возможности по доведению сигнала до нужного уровня, а логики с участием транзисторов чувствительны к току базы/коллектора/эмиттера, но обеспечивают хороший выходной сигнал. Вопрос выбора логики для реализации того или иного элемента это сложная инженерная задача, т.к. включает в себя: а) расчёт нагрузочной способности; б) расчёт рабочих режимов; в) оптимизация под заданный процесс (т.е. технологический анализ производства данных элементов)

Элемент ИЛИ на диодно-резисторной логике.

Рассмотрим состояния диодно-резисторной схемы (рис. 1) в предположении, что входные напряжения могут принимать лишь 2 значения: низкое и высокое (это <0,6B и >0,6B).

Рис.1. Элемент ИЛИ на диодно-резисторной логике.

Для диодной логики низкое напряжение должно быть ниже 0,5 – 0,6В, при котором еще диод находится в закрытом состоянии. Высокое напряжение должно обеспечивать полное открытие диода, т.е. сопротивление диода в прямом направлении должно быть пренебрежимо мало.

При подаче высокого напряжения Uвх хотя бы на один из входов (например, на вход 1) диод D1 отпирается и выход схемы оказывается напрямую через него соединенным со входом 1. Если сопротивление резистора R1 намного больше сопротивления открытого диода R1>>Rд_откр, то на выходе появится высокий потенциал, почти равный Uвх1.

При этом другой диод D2 заперт, поскольку высокий потенциал входа Х2, действует через узловую точку на диод Д2 в обратном направлении. Тем самым высокий потенциал со входа 1 не попадает на другой вход, что обеспечивает развязку входов друг от друга.

Если высокие Uвх поданы на оба входа, то окажутся открытыми оба диода и Uвых также будет высоким. И только в случае, когда на оба входа поданы низкие потенциалы, оба диода оказываются запертыми, ток I прекратится, падение напряжения на R1 отсутствует и низкий потенциал корпуса через R1 поступает на выход. Таким образом, эта схема реализует логику ИЛИ, т.е. Uвых = UВХ1 ИЛИ UВХ2.

Недостатки: если на входах потенциал, не соответствующий лог. 1, но превышающий 0,6В, то схема его будет пропускать как лог. 1, что крайне нежелательно.

Элемент ИЛИ-НЕ на резисторно-транзисторной логике.

Рассмотрим состояния схемы (рис. 2) в предположении, что входные напряжения могут принимать лишь 2 значения: низкое и высокое (это <0,6B и >0,6B).

Рис. 2. ИЛИ-НЕ на резисторно-транзисторной логике.

При появлении на входах потенциалов UВХ1 и UВХ2, превышающих заданное значение (определяемое номиналом RБ1 и RБ2), происходит открытие транзисторов T1 и/или T2, а значит закоротка сопротивлений R1 и/или R2. Таким образом, Uвых принимает низкое состояние, что соответствует лог. 0.

При отсутствии же на входах потенциалов выше заданного значения, транзисторы на выход приходит ослабленное значение En, что соответствует лог. 1.

Т.о. UВЫХ = НЕ (UВХ1 ИЛИ UВХ2)

Недостатки такой схемы: высокое потребление тока, низкая нагрузочная способность.

Элемент И-НЕ на диодно-транзисторной логике.

Опять предполагаем, что на входе имеется два уровня: малый (<0,6B) и большой (>0,6B).

Рис.3. И-НЕ на диодно-транзисторной логике.

Тогда при наличие на одном их входов потенциала >0,6B происходит открытие диода. Но если потенциал превысил 0,6В только на 1м из входов, то прошедший через диод D1 или D2 не пройдёт дальше, «застряв» в сдвоенном диоде D3. Поэтому для того, чтобы ток дошёл до базы транзистора T1, необходимо чтобы сразу оба диода D1 и D2 были открыты. Будучи открытым, транзистор пропускает ток от источника питания на землю (заземляет/зануляет), что равносильно появлению на выходе лог. 0.

Т.о. UВЫХ = НЕ (UВХ1 И UВХ2)

Недостатки такой схемы аналогичны недостаткам схем на РТЛ и ДРЛ.

Транзисторно-транзисторные логические элементы

Входная логика ИМС может быть выполнена на многоэмиттерном транзисторе Т1 (рис. 4), позволяющем изготовить его в едином технологическом цикле с транзистором инвертора Т2, так как оба представляют однотипные n-p-n- транзисторы.

В ТТЛ-элементах многоэмиттерный транзистор Т1 осуществляет операцию И, а транзистор Т2 с резистором R2 - операцию НЕ, реализуя таким образом базис И-НЕ.

Принцип работы

Если на все входы подана лог. 1, т.е. высокий потенциал, то все эмиттеры транзистора Т1 заперты и эмиттерные токи отсутствуют. Заметим, что полярность источника питания +Е прямая для p-n-перехода база-коллектор транзистора Т1 и этот переход остается открытым. Поэтому по цепи +Е - R1 - база Т1 - коллектор Т1 - база Т2 - эмиттер Т2 - корпус течет ток Iб_нас, который открывает и вводит в насыщение транзистор Т2.

При насыщенном Т2 на выходе схемы образуется сигнал лог. 0, потому что потенциал Uвых окажется близким к низкому потенциалу корпуса. Заметим, что сопротивление резистора R1 подобрано так, чтобы за счет падения напряжения на нем от тока Iб_нас потенциал точки а был бы ниже чем +Uвх, и эмиттеры Т1 оставались бы запертыми.

При подаче низкого потенциала 0 хотя бы на один из входов открывается p-n-переход этого эмиттера, появляется значительный ток Iэ, который создает на R1 падение напряжения Iэ Rэ  E.

Потенциал точки а приближается к нулевому потенциалу корпуса, в результате чего разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора Т2 становится близкой к нулю, ток Iб2 прекращается и он переключается в режим отсечки. В результате потенциал Uвых приобретает значение Uвых Е, формируя на выходе лог. 1.

К сожалению, эта схема не экономична. Дело в том, что при выходном сигнале 0, когда Т2 насыщен, через R2 течет большой ток Iк_нас, потребляя от источника питания значительную мощность, которая лишь нагревает схему.

Для снижения Iк_нас , казалось бы достаточно увеличить сопротивление R2 . Однако это резко сократило бы коэффициент разветвления схемы к раз, так как ток потребляемый подключенными к выводу нагрузками, создавал бы на R2 настолько большое падение напряжения, что потенциал Uвых , соответствующий лог. 1, мог бы стать недопустимо низким.