Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя (срсп)

Аналогты интегралды сұлбалар үзіліссіз функциялар заңы бойынша өзгеретін сигналдарды салыстыруға, өңдеуге, түрлендіруге арналған түрлі аналогты электронды құрылғыларды жасау үшін қолданылады. Қазіргі кезде ортақ мақсатта қолданылатын, сондай ақ арнайы мақсатта қолданылатын көптеген аналогты микросұлбалар жасалынған. Оларға ең алдымен операциялық күшейткіштердің (ОК), компараторлардың және аналогты сигнал түрлендіргіштерінің, тізбекте қолданылатын кернеу тұрақтандырғыштарының аналогты микросұлбалары жатады. Сондай ақ аналогты көбейткіштер, мысалы амплитудалы және фазалы модуляторлар мен демодуляторлар (детекторлар) негізінде түрлі радиотехникалық түрлендіргіштер мен тұрмыстық аппаратураларды жасауға арналған арнайы аналогты интегралды сұлбалар тобы кіреді. Алайда, қолданылатын аналогты интегралды сұлбалардың, олардың функционалды міндеттерінінің және дайындау технологиясының өзгешелігіне қарамастан олардың көбісінің негізін тұрақты тоқтың дифференциалды күшейткіші негізінде жасалынатын операциялық күшейткіштер сұлбатехникасы болып табылады. Операциялық күшейткіштер қазіргі замандық интегралды аналогты электрониканың негізгі сұлбатехникалық элементі болып саналады.

Операциялық күшейткіштің шартты графикалық белгісі және оның эквивалентті сұлбасы 14.1-суретте көрсетілген. Онда операциялық күшейткіштің екі кірісі, бір шығысы бар екеніні көреміз. 1-ші кіріс терістемейтін кіріс деп аталады, өйткені 1-ші кіріске берілген оң бағыттағы кернеудің өзгеруі операциялық күшейткіштің шығысындағы кернеудің оң өзгеруіне әкеліп соғады. 2-ші кіріс терістейтін кіріс деп аталады, өйткені бұл кірістегі кернеудің оң өсімі шығыстағы кернеудің теріс бағытта өзгеруіне себеп болады. Егер U_кір1 және U_кір2 кіріс кернеулерінің айырмашылығы аз болса, онда операциялық күшейткіштің шығыс кернеуі келесідей анықталады

U_шығ = K_U0 (U_кір1  U_кір2) = K_U0 U_диф , (14.1)

(5.1) өрнектен операциялық күшейткіш шығыстағы кіріс кернеулерінің синфазалық өзгерістеріне реакция бермейтінін K_UO мәні әдетте үлкен болғандықтан , операциялық күшейткіштің дифференциалды кіріс кернеуі үшін жеткілікті түрдегі жоғары күшейтуі коэффициентімен қамтамасыз етеді.

а) б)

• 
  кіріс кедергісі шексіздікке тең ;
  
• 
  шығыс кедергісі нөлге тең ;
  
• 
  кернеу бойынша күшейту коэффициенті (дифференциалды сигналды күшейту коэффициенті) шексіздікке тең;
  
• 
  күшейту режимінде дифференциалды кернеу нөлге тең;
  
• 
  синфазалық кіріс кернеуі шығысқа реакция бермейді.
  

14.2-сурет. Терістегіш күшейткішінің сұлбасы.

Операциялық күшейткіштің терістемейтін сұлбасы (14.3-сурет) жоғары кедергісі бар қорек көзін төменгі кіріс кедергісі бар сигналды өңдеу сұлбасымен келістіру қажет жағдайларда қолданылады. Операциялық күшейткішті терістегіш күшейткіш ретінде қосқанда оның шығыс кернеуі фаза бойынша тікелей операциялық күшейткіштің терістемейтін кірісіне берілетін кіріс кернеуімен сәйкес келеді.

14.3-сурет. Терістемейтін күшейткіш сұлбасы

Бұдан терістемейтін күшейткіштің кернеу бойынша күшейту коэффициенті келесідей анықталатынын білуге болады

Кері теріс байланыс нөлге тең болатын нақты жағдайда кернеу бойынша тасымалдау коэффициенті бірге тең. Онда күшейткіштің шығыс кернеуі кірісіне тең болады да, терістемейтін күшейткіш кернеу қайталағышы ретінде бейнеленеді. Терістегіш күшейткішке қарағанда терістемейтін күшейткіште операциялық күшейткіш шығысында синфазалы сигнал болатынын ескерте кетнкен жөн, бұл оның кемшілігі болып саналады. Жоғарыда қарастырылған терістейтін және терістемейтін күшейткіштер комбинациясын қолдана отырып, қосу және азайту операцияларын орындауға болады. Бұл үшін операциялық күшейткіштің терістейтін және терістемейтін кірістеріне бір уақытта бірнеше кернеулер беру керек.

Интегралды операциялық күшейткіштердің күшейту коэффициенттері жеткілікті түрде жоғары (10⁵ -10⁶), сондықтан көптеген жағдайларда осы параметрді идеализациялау есебінен ( ) туындайтын кіріс сигналын түрлендірудің қателіктерін ескермесе де болады.

Интегратор шығысында кіріс сигналына уақыт бойынша интегралына пропорционал болатын сигнал қалыптасатын терістегіш күшейткіш.

Терістегіш кірісіндегі виртуалды жерге байланысты («2» нүкте потенциалы ортақ «1» нүкте потенциалына тең, өйткені U_диф = 0) Rрезисторы арқылы өтетін тоқ қатынасына тең. Бұл тоқ сонымен қатар, интгератордың U_шығ шығыс кернеуіне тең U_С кернеуін қалыптастыра отырып С конденсаторы арқылы да өтеді (өйткені I_кір=0). С конденсаторының U_С кернеуінің мәні Iтоғына пропорционалды және келесіге тең , онда шығыс кернеуі келесідей анықталады

(14.5)

а) б)
14.4-сурет. Интегратор сұлбасы (а) және тікбұрышты периодтық сигнал интеграциясының уақыттық диаграммасы.

Дифференциатор интегратор функциясына кері функцияны орындайтын операциялық күшейткіштен жасалынған аналогты құрылғы. Басқаша айтқанда, ол кіріс сигналдары үстінен дифференцирлеу операциясын орындайды және оның шығыс сигналы кіріс сигналының көбейтісіне пропорционал болады. Операциялық күшейткіш негізінде жасалынған қарапайым дифференциатордың сұлбасы 5.5, a – суретте көрсетілген. Бұл сұлба терістегіш кұщейткш болып саналады, оның кірісіне R₁ резисторының орнына С конденсаторы қосылған. Егер операциялық күшейткіш идеалды деп санасақ, «2» нүкте потенциалы ортақ «1» нүкте потенциалына тең (виртуалды жер) және конденсатор арқылы өтетін тоқ келесідей анықталады . Бұл тоқ R резисторы арқылы да өтеді, ондағы тоқ интегратор шығысындағы кернеуге тең. Бұдан екенін көруге болады. Егер кіріс сигналы белгілі бір диапазонда сызықты түрде өзгеретін болса, онда шығыс кернеуін келесі қатынас арқылы бейнелеуге болады . Интегратор аналгиясы бойынша қосындылағыш күшейткіш негізінде қосындылағыш дифференциаторды да жасауға болады.

а) б)
14.5-сурет. Дифференциатор сұлбасы (а) және үшбұрышты формалы сигналды дифференцирлеу б)

Логарифмдік түрлендіргіш деп кекрі байланысында сызықты емес элемент (диод немесе ортақ базалы сұлба бойынша қосылған транзистор) қолданылатын операциялық күшейткіштен жасалынған терістегіш күшейткішті айтамыз. Мұндай түрлендіргіштің шығыс кернеуі оның кіріс кернеуінің логарифміне пропорционалды болады.

Экспоненциалды түрлендіргіште диод немесе транзитор операциялық күшейткіш негізіндегі терістегіш күшейткіштің кіріс тізегіне қосылады, өйткені кернеуді кері түрлендіруді орындайды және антилогарифмдік түрлендіргіш деп те аталады.

Логарифмдік және экспоненциалды түрлендіргіштер кеңінен қолданысқа ие, мысалы, көбейту және бөлу сияқты математикалық операцияларды іске асыру кезінде. Екі санды көбейту операциясы олардың логарифмдерін қосу операциясымен алмастырылады, ол үшін терістейтін және терістемейтін қосындылағыштар сұлбасы қолданылады.

Сызықтық емес түрлендіргіштер де операциялық күшейткіштер негізінде жасалыған терітсейтін күшейткіштерден орындалады. Бұл жағдайда операциялық күшейткіштердің кіріс кернеулерінің шығыс кернеулерінен бейсызықты тәуелділігін алу үшін күшеткіштің кіріс тізбегәне немесе кері байланыс тізбегіне сызықты резисторлармен қатар, бейсызықты элементтер: диодтар мен стабилитрондар қолданылады. Терістейтін күшейткіштерде сызықты және бейсызықты элементтер комбинациясын қолдану күшейткіштің кіріс және шығыс кернеулерінің берілген сызықты тәуелділіктерінің үзінді-сызықты аппроксимациясын алуға мүмкіндік береді.

Аналогты сигналдарды салыстыру құрылғылары. Аналогты компараторлар. Аналогты функциялардың негізгілерінің бірі салыстыру функциясы болып табылады, оны іске асыру үшін әдетте кеңінен таралған компаратор деп аталатын аналогты интегралды сұлбалар қолданылады. Және бұл жағдайда екі аналогты сигналдар салыстырылады, ал аналогты сигналдар деп көп жағдайда кернеуді түсінеді. Сондай ақ салыстырылатын сигналдардың бірі айнымалы (уақыт бойынша қандай да бір заңдылықтар бойынша өзгеретін) болуы мүмкін, ал екіншісі эталонды қорек көзі функциясын орындай алатын тұрақты шама болуы мүмкін.

Кіріс сигналдардың мәндеріне байланысты (салыстырылатын сигналдардың біреуі екнішісінен үлкен, тең немесе кіші) компаратор шығысында бірі біріне қарама қарсы өрістегі кернеулер (ереже бойынша модулі мәндері бойынша тең) қалыптасуы мүмкін, немесе бір өрістегі кернеулер қалыптасуы мүмкін. Бірінші жағдайда екі аналогты синалды салыстыру үшін ортақ қолдану мақсатындағы операциялық күшейткіш негізінде орындалған компараторлар қолданылады. Екніші жағдайда арнайы аналогты интегралды сұлбаларды қолданған компараторлар пайдаланады. Бұл жағдайда мұндай компараторлардың шығыс кернеулері цифрық техникада қолданылатын сигналдардың деңгейі мен өрістіліктеріне үйлесімді болуы керек, яғни логикалы «1» және логикалық «2» деңгейлеріне сәйкес болуы керек. Сонымен, компараторлар қазіргі замандық аналогтық және цифрлық техникалардың, сондай ақ, аналогты және цифрлық сигналдардың өзара түрлендірудің аналогты-цифрлық сұлбалар классының негізгі функционалды блоктары (түйіндері) болып табылады.

Компараторарды аппаратуралық түрде қолданудың себебі операциялық күшейткіштердің транзисторларын қанықтыратын кіріс сигналдарының үлкен амплитудалары (деңгейлері) кезінде жұмыс істеу қажеттілігімен түсіндіріледі.

Кіріс сигналы нөлге тең эталонды кернеу деңгейімен салыстырылатын компаратор сұлбаларының біреуін қарастырайық (5.6, a сурет). Симметриялы беріліс сипаттамасы (5.6, б сурет) бар мұндай компаратор сұлбасын нөль детекторы деп те атайды. 6, в – суретте кірісіне шамасындағы айнымалы кернеу берілген жағдайдағы операциялық күшейткіш негізінде орындалған компаратордың жұмысын түсіндіретін уақыттық диаграммалар берілген, мұнда U_m – кіріс сигналының амплитудалық шамасы.

14.6-сурет. Нөль детекторының сұлбасы (а), оның беріліс сипаттамасы (б) және кіріс және шығыс кернеулері өзгеруінің уақыттық диаграммасы (в)

14.6-суреттегі уақыттық диаграммадан модуль бойынша синусоидалы түрде өзгеретін кіріс кернеуі қатынасымен анықталатын кіріс кернеуінің қандайда бір ашушы мәнінен кіші болса, шығыс кернеуі өрнегіне сәйкес кіріс кернеуіне пропорционалды абсалютті шама бойынша өзгереді. Кіріс кернеуі өзінің ашушы мәніне жеткенде, компаратордың шығыс кернеуі шамасымен шектеледі және шамасының әрі қарай өсіуіне қарамастан тұрақты болып қалады. Сонымен, компаратор шығысында екіөрісті кернеу қалыптасады, ол кіріс сигналының жылдамдығы өскен сайын формасы бойынша үшбқрышты түрге жақындайды.

Енді кіріс кернеуі қандай да бір алдын ала берілген нөлден өзгеше эталонды кернеу деңгейімен салыстырылатын компаратор сұлбасын қарастырайық. Бқл сұлба бірашушы (однопороговая) салыстыру сұлбасы деп, кейде оң ашушы іске қосушы деңгей детекторы деп аталады. Беріліс сипаттамасынан көретініміздей (14.7, б -сурет) оның іске қосылуы кіріс кернеуі берілген эталонды кернеумен салыстырылғанда орындалады, яғни операциялық күшейткіштің терістейтін және терістемейтін кернеулері арасындағы айырмашылық нөлге теңелгенде болады.

14.7-сурет. Оң ашушы іске қосушы деңгей детекторының сұлбасы (а) және оның беріліс сипаттамасы (б)

Жоғарыда қарастырылған ортақ міндетті операциялық күшейткіш негізінде жасалынған салыстыру сұлбалары баяу өзгеретін кіріс сигналдарымен жұмыс істейтін жоғары дәлділікті компараторларды жасауда қолданылады. Бұл сұбалар шығысында қажетті сигналдарды, мысалы цифрлық деңгейлерді қалыптасыра алады. Алайда бұл үшін сұлба құрамына көптеген қосымша элементтер енгізу керек және бұл жағдайда қажетті жылдамдық қамтамасыз етілмейді. Бұл кемшіліктердің шешу үшін шығыс кернеулері цифрлық техникалардағы логикалық «1» және логикалық «0» сигналдарын бейнелеуге арналған сигналдармен сәйкестендірілген жоғары дәлділікті және жоғары жылдамдықты интегралды компараторлар қолданылады.

Қосымша әдебиеттер 6[375:387].