Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

ic (t) = R1 [E −Uc (0)] ,

что и обеспечит линейное нарастание (спад) напряжения на конденсаторе.

Поскольку ЭДС компенсации должна равняться изменению напряжения на конденсаторе, то в качестве источника такой ЭДС необходимо использовать устройство с автоматической регулировкой выходного напряжения. В схеме на рис. 7.18 это достигается подачей напряжения на конденсаторе Uс(t) на вход ИОУ с тем, чтобы его выходное напряжение изменялось с изменением Uc(t). При этом, чтобы данное напряжение равнялось разности [Uс(t) – Uс(0)], необходимо обеспечить работу формирующего усилителя в режиме инвертирующего повторителя напряжения, что в этой схеме обеспечивается подачей полного выходного напряжения на инвертирующий вход ИОУ. Это приводит к образованию глубокой отрицательной обратной связи по напряжению, при которой ИОУ работает в режиме повторителя напряжения. Следовательно, выходное напряжение

Uвых(t) = Kис(Uвх.ни – Uвх.и) = –Kис[Uвых(t) + Uс(t)]

и

Uвых(t) = −			Kис	Uc (t) .
	1
			+ Kис

Таким образом, компенсирующая ЭДС величиной, почти равной

Uс(t):

Uком(t) ≡ – Uвых(t) 1− K1ис Uc (t) ,

приводит к стабилизации тока заряда конденсатора

i	(t) =	1	E −	Uc (t)		,
c
		R		1+ Kис

благодаря чему заметно уменьшается коэффициент нелинейности

εнл =	ic (0) −ic (Tпр)	=	Uc (Tпр) −Uc (0)	.
	ic (0)
			E(1+ Kис) −Uc (0)

Из этого соотношения следует, что в формирователе ЛИН с компенсирующей ЭДС можно уменьшить коэффициент нелиней-

371

ности в (1 + Kис) раз по сравнению с формирователем без компенсации.

Отметим, что рассматриваемый формирователь представляет собой интегратор с передаточной функцией вида

	Kис	1
Kи( р) −				,
	рRC(Kис +1) +1		pRC

на выходе которого появляется ЛИН

Uвых(t) −E RCt

при включении на его вход идеального перепада напряжения.

На основе такого интегратора можно построить генератор ЛИН, дополнив его запускающим устройством, способным генерировать последовательность импульсов прямоугольной формы. Эти импульсы, поступая на вход формирователя, приводят к появлению на его выходе сигналов ЛИН. В качестве запускающего устройства используют релаксаторы и триггеры. При этом соответствующим выбором режима их работы можно реализовать как автоколебательный режим работы, так и ждущий.

В современных устройствах ГЛИН строят по схеме, которая показана на рис. 7.19. Здесь формирователь ЛИН на ИОУ дополнен ИКН, на основе которого построено запускающее устройство в виде триггера Шмитта. Триггер построен на компараторе (очевидно, что можно и на ИОУ), который охвачен регенеративной обратной связью подачей выходного напряжения на его неинвертирующий вход через резистивный делитель R1–R2. Благодаря этой связи в компараторе возникают лавинообразные изменения выходного напряжения при его работе в активной области. Эти изменения прекращаются лишь тогда, когда наступают ограничения вы-

ходного напряжения ИКН на уровне Uвых1 .тр или Uвых0 .тр (см. эпюры на рис. 7.19,б). Только тогда прерывается цепь регенеративной обратной связи, и триггер на основе ИКН переходит в устойчивое состояние равновесия. Из этого состояния триггер переводится в новое состояние устойчивого равновесия под воздействием сигнала, поступающего на его неинвертирующий вход с выхода интегратора на ИОУ через резистивный делитель R1–R2.

372

а

Рис. 7.19. Схема ГЛИН

скомпенсирующей ЭДС

сформирователем ЛИН на первом элементе (а) и эпюры

напряжений, иллюстрирующие работу ГЛИН (б)

б

Переброс триггера происходит в моменты времени, когда напряжение на инвертирующем входе ИКН, определяемое соотношением

Uвх.ни.тр =		R1	Uвых(t) +		R2	Uвых.тр,
	R + R			R + R
	1	2		1	2

становится равным пороговому уровню Uпор. При перебросе триггера генерируются перепады напряжения, поступающие на вход интегратора, под воздействием которых формируются импульсы ЛИН. В моменты переброса триггера импульсы ЛИН на выходе интегратора достигают своих пиковых значений (см. эпюры на рис. 7.19,б), которые можно определить из уравнений

373

	Uвх.ни.тр(tи1) ≡		R1	U 0	+		R2	U1	=U +	;
		R	+ R			R	+ R
				выхт				вых.тр	пор
		1	2			1	2
	Uвх.ни.тр(tи2) ≡		R1	U1	+		R2	U 0	=U −	;
		R	+ R			R	+ R
				выхт				вых.тр	пор
		1	2			1	2

Таким образом, получим

0

+

R2

1

R2

Uвыхт = Uпор 1

+

– Uвых.тр

;

R

R

1

1

1

−

R2

0

R2

Uвыхт

= Uпор 1 +

– Uвых.тр

.

R

R

1

1

На первом этапе, когда триггер находится в состоянии Uвых.тр = =Uвых1 .тр , начинается заряд конденсатора С с постоянной времени

τз = CRи1, сопровождаемый спадом выходного напряжения интегратора:

Uвых(t) Uвых1	т – Uвых1	.тр	t	.
			τ
			з

Это напряжение, поступая на неинвертирующий вход ИКН, приводит к уменьшению Uвх.ни.тр. По истечении времени tи1, когда

Uвх.ни.тр(tи1) = Uпор+ , триггер на ИКН перебрасывается, и завершается первый этап продолжительностью

= τ Uвых1		т −Uвых0		т .
tи з
	1
	Uвых1		.тр

Аналогично на втором этапе, когда на выходе триггера устанав-

ливается Uвых0	.тр , начинается разряд конденсатора с постоянной
времени τр = С(Rи1 + Rи2), сопровождаемый нарастанием выходного
напряжения ИОУ			t
	Uвых(t) Uвых0	т – Uвых0 .тр
			τр

и, соответственно, увеличением потенциала на неинвертирующем входе триггера Uвх.ни.тр. Когда Uвх.ни.тр(tи2) =Uпор− , заканчивается

374

формирование линейно-нарастающего участка импульса длительностью

		τ		R2
			р R						(Uвых0	.тр −Uвых1
tи2 =			1								.тр) .
Uвых0		.тр +			Uвых0		т
						Kис

Следует отметить, что формирование линейно-нарас-тающего

сигнала возможно в том	случае, когда выходное напряжение
триггера, соответствующее нулевому уровню Uвых0							.тр , отрицатель-
ной полярности и при этом
|Uвых0	.тр | >		Uвых0	т		.
			Кис
Поскольку у ИКН обычно Uвых0		.тр > 0, то формирование линей-

но-нарастающего сигнала можно обеспечить заданием смещения Uсм на инвертирующий вход интегратора (как показано на рис. 7.19,а).

В генераторе на рис. 7.19,а предусмотрены дополнительные цепи (диод Д и потенциометр на переменном резисторе Rп) для регулирования параметров импульса треугольной формы. Диодная цепь предназначена для изменения постоянной времени заряда и разряда конденсатора С и, соответственно, скорости изменения спада и нарастания треугольного импульса: при переходе триггера в состоя-

ние Uвых1 .тр диод Д отпирается, поэтому заряд конденсатора происходит с постоянной времени τз = CRи1, тогда как при Uвых.тр = =Uвых0 .тр диод запирается и разряд конденсатора протекает с по-

стоянной времени τр = C(Rи1 + Rи2). Плавное изменение tи1 и tи2 можно реализовать изменением сопротивления резистора Rи1. Пи-

ковые значения импульса треугольной формы Uвых1 т и Uвых0 т

можно регулировать изменением порогового уровня ИКН при помощи потенциометра Rп.

375

Рис. 7.20. Схема замещения формирователя ЛИТ

7.5.2. Формирователи и генераторы линейно-изменяющегося тока

Для формирования импульсов линейно-изменяющегося тока (ЛИТ) в качестве элемента, обеспечивающего линейное изменение тока, можно использовать индуктивную катушку. При этом, если поддерживать напряжение на индуктивности постоянным, то ток

t

iL (t) = iL (0) + L1 ∫0 uL (t)dt = iL (0) +UL Lt .

В реальных устройствах индуктивная катушка имеет конечное сопротивление rL. Обладает определенным сопротивлением также источник напряжения Rвн. Очевидно, что с учетом влияния rL и Rвн можно обеспечить линейное изменение тока в индуктивной катушке, если ЭДС холостого хода источника будет соответствовать величине

Uвх(t) = UL + (Rвн + rL) iL(t).

Таким образом, для формирования ЛИТ необходимо построить источник напряжения, обеспечивающий изменение Uвх(t) по указанному закону. Можно использовать также источник тока, который в режиме короткого замыкания может выдать ток

	UL			rL
Iвх(t) =			+
	R	+ 1		R	iL (t) .
	вн			вн

Поскольку импульсы ЛИТ на практике наиболее часто применяются для создания временной развертки электроннолучевых приборов (ЭЛП) с магнитным отклонением, то в качестве формирующей индуктивной катушки используют саму индуктивную катушку отклоняющей системы ЭЛП. При этом паразитная емкость

катушки CL обычно оказывается настолько большой, что ее учет становится необходимым. Поэтому схема замещения формирователя ЛИТ в общем случае имеет более сложный вид (рис. 7.20).

376

В этой схеме С0 = СL + Сн + См + Сг.вых – суммарная паразитная емкость, которая складывается из емкостей катушки СL, нагрузки Сн, монтажа См и выходной емкости Сг.вых источника, который представлен в виде источника напряжения Uвх с внутренним сопротивлением Rвн. Паразитная емкость С0 совместно с индуктивностью L образует контур, в котором при определенных условиях может возникнуть колебательный процесс. Для демпфирования колебаний LC-контур обычно шунтируется резистором Rд, сопротивление которого выбирают так, чтобы контур работал в критическом режиме.

Чтобы обеспечить линейное нарастание (спад) тока в индуктивной катушке, необходимо формировать скачок напряжения на контуре. Однако при наличии паразитных емкостей это практически невозможно, так как для этого требуется источник, обеспечивающий быстрый заряд емкости С0 мощным импульсом тока (в виде δ- импульса). Поэтому из-за действия паразитных емкостей происходит искажение начального участка импульса тока. При этом эти искажения могут носить колебательный характер в контуре, в котором из-за недостаточного шунтирования происходит медленное рассеяние энергии. Для схемы на рис. 7.20 это происходит при коэффициенте

т С0RLэкв2 > 0,25,

где Rэкв = Rвн || Rд.

Чтобы исключить колебательный процесс, необходимо шунтировать контур резистором Rд, сопротивление которого

		R	<		ρ		,
		д		2 −		ρ
						R
						вн
где ρ =	L	– характеристическое сопротивление контура.
	C0

На рис. 7.21 приведены эпюры для контура, работающего в критическом или апериодическом режиме, при возбуждении импульсом ступенчато-линейной формы

377

		Rвн		t
	+						,
Uвх(t) =UL 1		R		τ	L	+1
		д

где UL = L didtL – напряжение на индуктивности, обеспечивающее

линейное				изменение тока с заданной скоростью			diL	;
							dt
			1		1
τ		= L		+		.
			R		R
	L
			вн		д

Рис. 7.21. Эпюры напряжений и тока в контуре, работающем в критическом режиме

Чтобы начальные искажения (см. участок tз на рис. 7.21), обусловленные действием емкости С0, охватывали участок продолжительностью не более чем λТпр, необходимо соблюдение следующего неравенства:

1

1

1

t

з

=

L

+

+ С r

< λT .

4

R

R

0 L

пр

вн

д

378

В практических устройствах в качестве формирователя или генератора импульсов ступенчато-линейной формы можно использовать ГЛИН, рассмотренные в п. 7.5.1. При этом для получения начального скачка напряжения (см. эпюру Uвх на рис. 7.21) включают последовательно с конденсатором С резистор Rс, как это показано на рис. 7.22. Для возбуждения индуктивной катушки мощным импульсом тока обычно применяют повторитель напряжения или усилительный каскад в нормально закрытом режиме с тем, чтобы ускорить рассеяние магнитной энергии катушки после выключения рабочего импульса.

Рис. 7.22. Формирователь ЛИТ

Контрольные вопросы

1.В каких медицинских устройствах применяются генераторы и формирователи прямоугольных импульсов и какие функции они выполняют?

2.Какой режим самовозбуждения релаксационных устройств называется жестким и что при этом происходит с устройством?

3.Для чего в релаксаторах на ИОУ применяют параметрический стабилизатор напряжения и как устроен такой стабилизатор?

4.Почему в релаксаторе на ИКН без дополнительного источника смещения Есм происходит срыв автоколебаний?

5.В каких диагностических приборах применяют формирователи и генераторы импульсов линейно-изменяющейся формы?

________

379

8.БОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

ИМИКРОПРОЦЕССОРЫ

8.1. Особенности схемотехники больших интегральных систем

Применение ИМС привело к существенному улучшению характеристик и показателей современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Так, на два и более порядков повысилась плотность компоновки элементов в единице объема; на порядок увеличилось быстродействие; заметно повысилась степень надежности радиоэлектронных устройств; снизилась их стоимость. Наряду с улучшением характеристик РЭА применение ИМС потребовало разработки новых принципов производства полупроводниковых приборов и радикально изменило некоторые традиционные методы и идеи проектирования.

Дальнейшее развитие технологии производства ИМС (применение новых технологических методов, как, например, ионное легирование; электронно-лучевая литография; более совершенные методы изоляции элементов от подложки, позволяющие создавать ИМС с повышенной плотностью элементов и т.д.), а также интегральной схемотехники (появление новых типов схем, таких, как интегральные инжекционные логические схемы) создали реальные предпосылки для производства больших интегральных микросхем, представляющих собой не отдельные ИМС типа усилителей, логических элементов, триггерных систем и т.д., а целые узлы и блоки, а иногда и функционально полные устройства в виде счетчиков, регистров, блоков полупроводниковой памяти, арифметических устройств и, наконец, микропроцессоров и даже микро-ЭВМ на одном кристалле. Такие ИМС получили название «большие интегральные системы» (БИС). В последнее время выпускаются СБИС

– сверхбольшие интегральные системы.

Появление БИС было настоятельной необходимостью, продиктованной дальнейшим усовершенствованием и развитием электронной промышленности, хотя к переходу от простых ИМС к БИС разработчики пришли естественным путем. Как известно, при

380