Šta je analogno mikrokolo. Analogna integrirana kola. Serija mikro kola za magnetofone i elektrofone

Umnožavanje analognih signala, poput pojačanja, jedna je od glavnih operacija u obradi električnih signala. Za izvođenje operacije množenja razvijene su specijalizirane IC-ove - množitelji analognih signala (ASM). PAS mora osigurati precizno množenje u širokom dinamičkom rasponu ulaznih signala iu najširem mogućem frekventnom opsegu. Ako vam PAS dozvoljavaju množenje signala bilo kojeg polariteta, onda se oni nazivaju četverokvadrantnim; Multiplikatori koji množe unipolarne signale nazivaju se jednokvadrantni. Poznati su različiti jedno- i dvokvadrantni PAS zasnovani na elementima sa kontrolisanim otporom, promenljivim nagibom i upotrebom logaritmatora i antilogaritmatora. Na primjer, regulator sa promjenom načina rada elemenata, prikazan na slici 7.7c, može se koristiti kao množitelj ako se napon dovede na diferencijalni ulaz u x, i umjesto toga E kontrola submit u y. Pod uticajem u y mijenja se nagib prijenosne karakteristike tranzistora, čije se baze napajaju drugim pomnoženim naponom u x. Može se pokazati da je izlazni napon U out, uklonjen između kolektora DC tranzistora, sa R to 1 =R to 2 =R to određena formulom

Strujni dobitak BT spojenog prema kolu sa OB; ? T- temperaturni potencijal, ? T=25,6 mV.

Ako u x<<? T, zatim izraz za U out može se pojednostaviti:

Nedostatak razmatranog najjednostavnijeg množitelja na jednom DC-u je vrlo mali dinamički raspon ulaznih signala, u kojem je osigurana prihvatljiva tačnost množenja. Na primjer, već kod u x=0,1? T Greška množenja dostiže 10%.

Širi dinamički raspon pomnoženih napona sa manjom greškom obezbjeđuju logaritamski množitelji izgrađeni na principu “logaritam-antilogaritam”. Dijagram takvog PAS-a prikazan je na slici 7.23.

Slika 7.23. Logaritamski množitelj

Ovdje operativni pojačala DA 1 i DA 2 uzimaju logaritam ulaznih napona, a DA 3 se koristi kao sabirač, čiji je izlazni napon jednak:

U 0 = k 1 (ln u x+ln u y) = k 2 ln u x u y.

Koristeći operacijsko pojačalo DA 4, izvodi se antilogaritam

U out = k 3 antin U 0 = k 3 u x u y

Treba napomenuti da ovi izrazi koriste napone normalizirane na jedan volt. Koeficijenti proporcionalnosti k 1 , k 2 , k 3 određuju otporni elementi uključeni u OOS kola korištenih op-pojačala. Veliki nedostatak ovakvog PAS-a je jaka zavisnost opsega radne frekvencije od amplituda ulaznih signala. Dakle, ako sa ulaznim naponom od 10V gornja frekvencija pomnoženih napona može biti 100 kHz, onda se sa ulaznim naponom od 1V radni frekvencijski opseg sužava na 10 kHz.

Princip logaritma i antilogaritma se koristi u najčešćem metodu konstruisanja četvorokvadrantnog PAS-a sa strujnom normalizacijom, koji imaju najbolji skup parametara kao što su linearnost, širokopojasna i temperaturna stabilnost. Obično imaju diferencijalne ulaze, što proširuje njihovu funkcionalnost. Množitelji sa strujnom normalizacijom su napravljeni korištenjem integrirane poluvodičke tehnologije.

Pojednostavljena shema sklopa PAS IC-a sa strujnom normalizacijom tipa 525PS1 prikazana je na slici 7.24.

Uređaj sadrži složenu diferencijalnu kaskadu koja koristi tranzistore VT 7, ..., VT 10. Unakrsna sprega kolektora ovih tranzistora osigurava inverziju signala neophodnu za množenje u četiri kvadranta. Ulazni stupnjevi na tranzistorima VT 3, ..., VT 6 i VT 11, ..., VT 14 pretvaraju ulazne napone u x I u y u struje. Uz pomoć dioda spojenih tranzistora VT 1 i VT 2, trenutni signal na Y ulazu se logaritmira i množi sa X signalom pomoću pojačala pomoću tranzistora VT 7, ..., VT 10.

Slika 7.24. Pojednostavljena shema sklopa 525PS1 multiplikator IC

U uređaju koji se razmatra, veza između ulaznih i izlaznih signala može se predstaviti kao omjer struje. Izlazna struja množitelja određena je relacijom

Gdje I X I I Y- struje koje teku kroz otpornike R X I R Y; IpX I I pY- radne struje u kanalima X i Y.

Izlazni napon uklonjen sa jednog od otpora opterećenja je jednak

Faktor skale.

Svi otpornici prikazani na slici 7.24, osim R 1 i R 2, su vanjski. Njihov izbor zavisi od specifičnih zahteva za PAS.

Da bi se dobio nulti napon na PAS izlazu kada su ulazni naponi jednaki nuli, podešavanje se vrši pomoću varijabilnih otpornika R 4 i R 5. Ako množitelj radi samo s jednim polaritetom jednog od ulaznih signala, onda se naziva pristranim. Da bi se četverokvadrantni PAS pretvorio u pristrasni, dovoljno je primijeniti takvu konstantnu pristrasnost na jedan od ulaza da su signali na ovom ulazu uvijek manji od napona bias.

Stoga obično morate napraviti kompromis i napajati op-amp nižim (za njega) naponom. Većina modernih op-pojačala radi sa naponom napajanja većim od 3 V (±1,5 V), a samo serija K574 - sa naponom napajanja većim od 5 V. Takođe, posebno za upotrebu u niskonaponskim (5 V) ) digitalna tehnologija, proizvode se i op-pojačala serije LM2901... LM2904: njihovi parametri su idealni sa naponom napajanja od 5 V, a rad ostaje u „standardnom“ opsegu od 3...30 V. polovina napona napajanja" potrebnog za rad op-pojačala i komparatora može se "napraviti" pomoću djelitelja napona od .

Drugi problem je koordinacija između nivoa. Nemoguće je napajati digitalni signal na ulaz analognih mikrokola, posebno signal sa izlaza mikrokola (njihova amplituda izlaznog napona jednaka je naponu napajanja). O tome je detaljnije rečeno gore, a možete smanjiti amplitudu signala s digitalnog izlaza pomoću djelitelja napona.

Signal na izlazu analognog uređaja koji radi u digitalnom režimu gotovo uvijek ima dovoljnu amplitudu za normalan digitalni rad, ali u tom pogledu postoje i "nakaze". Neka analogna mikro kola imaju nivo dnevnika. “0” odgovara izlaznom naponu jednakom +2,1…2,5 V u odnosu na zajedničku žicu (na koju je priključen negativni ulaz), a za TTL kola i neke sklopni napon je 1,4…3,0 V. Tada je moguće za postavljanje nivoa dnevnika pomoću takvog analognog. "0" na gore pomenutom digitalnom ulazu je nemoguće. Ali sa postavljanjem nivoa dnevnika. “1” na digitalnom ulazu, problemi se gotovo nikada ne pojavljuju. Dakle, postoje dva izlaza: ili primijeniti samo analogni mali negativni napon (-2...-3 V) na "-U" ulaz u odnosu na zajedničku žicu (slika 2.8, o), koji se može generirati korištenjem bilo koji generator na koji je spojen izlaz - (Sl. 2.8, b); R je potreban da kada je napon na izlazu op-ampa manji od napona na zajedničkoj žici, ne ošteti digitalni mikro krug (TTL) ili preopterećuje zaštitni (), može biti od 1 kOhm do 100 kOhm. Drugi izlaz se nalazi između analognog i digitalnog mikrokola (slika 2.8, c): u ovom slučaju će se napon na digitalnom ulazu također smanjiti na nivou dnevnika. “1”, što je nevažno, a nivo napona je log. „0“, što nam treba.

Izlazi komparatora se obično izvode prema otvorenom kolektorskom kolu (slika 2.8, d), stoga, kada se koriste komparatori za upravljanje digitalnim kolima, potrebno je “pull-up” (povezan je između izlaza komparatora i “ +U” autobus). U TTL krugovima oni su instalirani iznutra na svakom ulazu, u - krugovima se moraju instalirati "spolja". Nikada ne postoje pull-up otpornici "unutar" komparatora.

Pad napona na prijelazima izlaznog tranzistora komparatora (slika 2.8, d) ne prelazi 0,8...1,0 V, tako da nikada ne nastaju problemi s upravljanjem digitalnim kolima. Budući da je izlaz komparatora napravljen prema kolu otvorenog kolektora, napon napajanja komparatora (“+U”) može biti veći ili manji od digitalnog napona napajanja - ne treba vršiti promjene na kolu. U ovom slučaju, “pull-up” mora biti povezan između izlaza komparatora i “+U” sabirnice digitalnog dijela.

Recimo da trebamo stvoriti takav koji će kontrolirati vrijednost vlastitog napona napajanja i, čim postane veći ili manji od norme, uključit će se.

Prvo, hajde da pokušamo da napravimo jedan zasnovan na digitalnim mikro krugovima. Kao što je poznato, digitalni prekidački napon je vrlo slab od svog napona napajanja, stoga, za kontrolu napona napajanja, ulaz logičkog elementa može biti direktno povezan preko energetskih magistrala (slika 2.10, a). U ovom krugu, donji reaguje na smanjenje napona napajanja (tada je njegov izlaz postavljen na "jedan"), a gornji reaguje na povećanje - i u ovom slučaju izlaz elementa DD1.2 je postavljen na nivo dnevnika. "1". Signali sa izlaza oba kanala se zbrajaju diodnim krugom “2OR”, a kada je na jednom od izlaza postavljeno “jedan”, nivo log se postavlja na izlaz DD1.4. “0”, omogućavajući generatoru da radi.

Ovo kolo se može pojednostaviti ako se koriste one sa više ulaza (slika 2.10, b). U ovim šemama DD1.2 (slika 2.10, a)

Rice. 2.10. Uređaji za kontrolu napona: a - na inverterima; b - poboljšane logičke elemente; c - analogni mikro krugovi koriste jedan od "ulaznih" elemenata - zahvaljujući tome, nema potrebe za sabiračem. Nadam se da možete sami shvatiti kako ovo funkcionira.

Nakon što ste sastavili jedan od ovih krugova, primijetit ćete da dok je napon napajanja unutar normalnog raspona, struja koju troši krug ne prelazi nekoliko mikroampera, ali kada se približi normalnoj granici, naglo se povećava hiljadama puta. Kroz struje su nastale. Daljnjom promjenom napona napajanja, on će se uključiti (ako napon napajanja pulsira, tada će u početku "tutnjati" u taktu sa talasima), a nakon nekog vremena, s još većom promjenom napona napajanja, struja koju troši struja će početi da se smanjuje.

Ako vam ne trebaju takvi "trikovi", stavite ih u kolo ili op-pojačalo. Ako je pokrenut nivoom dnevnika. "O" je praktičniji: njihovi izlazi se mogu spojiti zajedno (to ne možete učiniti s op-pojačalom!) i "izvršiti" sa uobičajenim "pull-up" otpornikom. Ali ako počne kao "jedan", to je praktičnije od op-pojačala: uštedjet ćete 2 otpornika kroz koje struja teče u "standby" modu (dok je napon unutar normalnih granica).

Za razliku od gore razmotrenih, takvo kolo će zahtijevati referentni izvor napona. Najlakši način je sastaviti ga pomoću otpornika i zener diode ili strujnog generatora i otpornika (ili, još bolje, zener diode). Opcija otpornika sa zener diodom je najjeftinija, ali većina zener dioda počinje normalno raditi tek kada kroz njih teče struja od nekoliko miliampera, a to utječe na potrošnju energije cijelog sustava. Međutim, moderni mali domaći počinju stabilizirati napon pri struji od 10 μA. Na osnovu strujnih generatora (), minimalna stabilizacijska struja može biti bilo koja.

Da bismo manje opteretili, njegov izlaz ćemo direktno povezati na ulaze komparatora (moderni op-pojačala i komparatori su zanemarivi i ne prelaze 0,1 μA), a „regulišuće“ trimere ćemo uključiti na isti način kao u krugovima o kojima smo gore govorili. Rezultat je ono što je prikazano na sl. 2.10, in; Bilo koji se može spojiti na izlaze ovih kola. Ako koristite četverostruka op-pojačala () u krugu, možete ih sastaviti na "slobodnim" elementima.

Sada, kako bismo odlučili koji je od sklopova (digitalni ili analogno-digitalni) bolji, uporedimo njihove karakteristike:

Kao što vidite, obje sheme imaju prednosti i nedostatke, a prednosti jedne pokrivaju nedostatke druge i obrnuto. Stoga, ne morate da se trudite da sastavite svoj prema „ispravnom“ kolu, u kojem digitalni signal radi s digitalnim signalom, a analogni signal radi s analognim signalom; ponekad nestandardno uključivanje elemenata, kao na sl. 2.10, a i 2.10.6 vam omogućavaju uštedu i na dijelovima i na struji. Ali s nestandardnim uključivanjem morate biti izuzetno oprezni: većina elemenata u ovom načinu rada je nestabilna, a pod utjecajem najmanjeg utjecaja mogu „upaliti“, ili čak potpuno otkazati. Čak je i iskusnim radio-amaterima vrlo teško predvidjeti razvoj događaja s nestandardnim uključivanjem elemenata, pa je performanse (ili neoperabilnost) jednog ili drugog "nestandardnog" moguće odrediti samo na maketi . Istovremeno ćete saznati i struju koju troši kolo i neke druge karakteristike koje vas zanimaju, a moći ćete i podesiti ocjene pojedinih elemenata.

Posebno mjesto u istoriji elektronike zauzima takozvani “tajmer 555”, ili jednostavno “555” (kompanija koja je razvila ovaj čip nazvala ga je “ΝΕ555”, otuda i ime). Ovaj je jednostavna, kao i svi genijalni, kombinacija analognih i digitalnih uređaja i zbog toga je njegova svestranost zadivljujuća. U jednom trenutku (početke 90-ih) mnoge radioamaterske publikacije imale su kolumnu poput „izmislite novu aplikaciju za tajmer 555“ - tada su predložena samo više standardnih sklopova za uključivanje ovoga od stranica u ovoj knjizi.

A on (princip rada) je vrlo jednostavan: pod utjecajem eksternog analognog (ne digitalnog!) modulirajućeg signala mijenja se frekvencija, radni ciklus ili trajanje izlaznog signala.

Postoje dva tipa: linearni i impulsni. Linearne (amplituda, frekvencija, faza itd.) se koriste samo u radiodifuziji, tako da se ovdje neće razmatrati. Postoje tipovi širine impulsa (PWM) i pulsne faze (PPM). Oni se praktički ne razlikuju jedni od drugih, pa su često zbunjeni - uostalom, ako su smislili dva različita imena za njih, to znači da je to nekome trebalo. Razlikuju se po tome što je kod PIM frekvencija izlaznog signala nepromijenjena (tj. ako se trajanje impulsa poveća za X puta, tada će se trajanje pauze smanjiti za X puta), dok se kod PWM mijenja (trajanje jednog od poluciklusi - puls ili pauza - uvijek je isti, a za drugi se mijenja u vremenu sa modulirajućim naponom).

Razmotrit ćemo rad modulatora koristeći dijagrame koji se nalaze pored slika. Vrlo je zgodno primijeniti modulirajući signal za tajmer 555 na njegov REF ulaz (ovaj ulaz tajmera 555 je namijenjen upravo za to; ne možete staviti "modulacijski" signal na REF ulaz drugih mikro krugova!), što je šta se obično radi.

Počnimo sa FIM-om. ovaj se praktično ne razlikuje od konvencionalnog generatora, a frekvencija PPM izlaznih impulsa se izračunava pomoću formule za generator. Ali hajde da vidimo šta se dešava ako se eksterni napon primeni na REF ulaz “generatora”.

Kao što se vidi iz dijagrama, pod uticajem modulacionog napona, , ili, ako je neko zaboravio suštinu ovog pojma, odnos perioda impulsa (log. “1” + log. “O”) prema trajanje pulsa (log. “1”) se mijenja. I to je razlog zašto se to dešava.

Kada se na REF ulaz ne dovodi eksterni napon, napon na njemu je 2/3 napona napajanja i jednak 2, tj. trajanje impulsa je jednako trajanju pauze. To je lako provjeriti korištenjem teoretskih proračuna: nivo je log. “O” na izlazu generatora će se uspostaviti tek nakon što napon na njegovim ulazima R i S postane jednak 1/3 U cc u odnosu na “U cc” sabirnicu, a nivo je log. “1” - nakon što napon na ulazima postane jednak 2/4 U cc u odnosu na zajedničku žicu. U oba slučaja, pad napona na otporniku za podešavanje frekvencije R1 je isti, stoga su trajanje impulsa i pauze isto.

Pretpostavimo da se pod utjecajem vanjskog signala smanjuje napon na REF ulazu. Tada će se napon uključivanja oba komparatora tajmera također smanjiti - na primjer, na 1/4 i 2/4, respektivno. Tada je nivo log. “1” će se promijeniti u zapisnik. “O” na izlazu tajmera nakon što se napon na kondenzatoru za podešavanje frekvencije poveća sa 1/4 U cc na 2/4 U cc, a nivo je log. “O” će biti zamijenjen nivoom dnevnika. "1" nakon što se smanji sa 2/4 U cc na 1/4 U cc. Lako je uočiti da je u prvom slučaju pad napona na otporniku za podešavanje frekvencije veći (pri U cc = 10 V varira od 7,5 V do 5,0 V) nego u drugom (2,5 V - 5,0 V), a , ako se prisjetimo Ohmovog zakona, struja koja teče u prvom slučaju bit će 2 puta veća nego u drugom, odnosno na log nivou. “1” na izlazu tajmera će se puniti 2 puta brže od pražnjenja - na nivou dnevnika. "0". Odnosno, trajanje impulsa je 2 puta manje od trajanja pauze i s daljnjim smanjenjem napona REF će se još više smanjiti.

Logično je napomenuti da kako napon na ulazu raste, REF će početi da raste, a čim pređe 2/3 U cc, trajanje impulsa će postati duže od trajanja pauze.

Na osnovu takvog modulatora vrlo je zgodno sastaviti razne impulsne. Najjednostavniji C4 se brzo puni. Čim se napon na njemu počne približavati vrijednosti postavljenoj otpornikom R7, VT3 će se početi lagano otvarati, napon na REF DA1 ulazu će se početi smanjivati ​​i trajanje impulsa na izlazu generatora će se smanjiti. Sa svakim ciklusom oscilovanja generatora u C4, kroz VT1 i VT2, sve manje energije će se „pumpati“ dok, konačno, ne dođe do dinamičke ravnoteže: C4 prima potpuno istu količinu energije koju daje opterećenju – dok napon na njemu ostaje nepromijenjen. Ako se struja opterećenja naglo poveća, napon na kondenzatoru će se neznatno smanjiti („opterećenje „ispije“ izvor napajanja“), VT3 će se lagano zatvoriti i trajanje impulsa će biti log. "1" na izlazu generatora će se povećavati dok se ponovo ne postigne dinamička ravnoteža. Kada se struja opterećenja smanji, trajanje impulsa će se, naprotiv, smanjiti.

Dinamičku ravnotežu ne treba brkati sa pravom ravnotežom. Potonje se događa kada se, na primjer, tegovi iste mase stave na dvije vage; takva ravnoteža je vrlo nestabilna i vrlo je lako poremetiti je laganom promjenom mase bilo koje težine. Analogija prave ravnoteže iz svijeta elektronike je kada, da smanje napon, koriste visokonaponski izvor napajanja za napajanje nekog niskonaponskog uređaja. Sve dok je struja koju troši kolo konstantna, napon na njemu je također konstantan. Ali čim se potrošnja struje poveća, napon na krugu se smanjuje - ravnoteža je poremećena.

Stoga se u svim modernim krugovima napajanja (i ne samo u njima) implementira princip dinamičke ravnoteže: dio (zove se "OOS kolo" - ovaj termin vam je već poznat) prati signal na izlazu uređaj, upoređuje ga sa referentnim signalom (u krugu na slici 2.14 "referentni napon" - napon okidača tranzistora VT3; nije baš stabilan, ali nam nije potrebna veća tačnost; da bi se povećala tačnost održavanja izlazni napon, možemo ga zamijeniti pretvaračem (k ycU i 20...50) na op-amp) i, ako dva signala nisu jednaka jedan drugom, mijenja napon na izlazu uređaja odgovarajući smjer dok se ne poklope.

Pošto se u ovom kolu samo kaskada može postaviti u OOS kolo (samo takvo, pa čak i skupo op-pojačalo, može pojačati naponski signal; i k ycU u ovom kolu, da bi se povećala stabilnost izlaznog napona, mora biti značajno), tada s povećanjem napona na otporniku motora R7, napon na REF ulazu će se smanjiti, bez obzira na strukturu (neće raditi normalno.

Stoga sam morao malo varati: staviti međustepen na tranzistor (VT1) na izlaz DA1 i ukloniti signal za kontrolu tranzistora snage pnp strukture (VT2) iz ovog tranzistora. Istina, pojavio se novi problem: kapacitivnosti tranzistora baza-emiter pune se "zviždaljkom", ali se vrlo sporo prazne. Zbog toga se naglo otvara (što je neophodno), a zatvara se vrlo glatko, dok se pad napona na njegovim priključcima kolektor-emiter također postepeno povećava, a snaga koja se na njemu oslobađa u obliku topline naglo raste. Stoga, da bismo ubrzali proces isključivanja tranzistora, morali smo ugraditi niskootporne R4 i R6. Zbog njih je efikasnost pojačala pri visokoj izlaznoj struji veća nego bez njih (gubici energije za grijanje radijatora tranzistora VT2 su smanjeni), a pri niskoj (manje od 200 mA) manja: samo malo komplikovanije: ovo zahtijeva dodatne impulse za pokretanje. Ovo je fundamentalna razlika između FIM-a i PWM-a.

Kako to radi može se jasno vidjeti iz dijagrama. Trajanje pokretačkih impulsa za takav modulator (kao na slici 2.12) treba da bude što je moguće kraće, barem do trenutka kada se C1 napuni na prekidački napon na R ulazu, nivo dnevnika bi već trebao biti podešen na S ulaz. "1", koji mora ostati na njemu neko vrijeme (otprilike 1/100 trajanja impulsa) kako bi C1 imao vremena da se isprazni. U suprotnom, može doći do samopobude na frekvenciji koja je blizu maksimalnoj radnoj frekvenciji za onu koja se koristi u krugu.

Teško je precijeniti značaj reprogramabilnih logičkih integriranih kola (FPGA) u sintezi logičkih sistema. Sveobuhvatan razvoj elementarne baze i sistema kompjuterski potpomognutog projektovanja omogućava implementaciju složenih logičkih sistema u neviđeno kratkom vremenu i uz minimalne materijalne troškove. Stoga je razumljiva želja za postizanjem sličnih rezultata u projektovanju i proizvodnji analognih sistema. Međutim, mnogi pokušaji napravljeni u ovom pravcu još nisu donijeli očekivane rezultate, a programabilni analogni IC (PAIS) i matrični analogni IC (MABIS) nisu postali univerzalni.

Problemi projektovanja programabilnih analognih LSI

Brz napredak u oblasti projektovanja logičkih sistema na FPGA bio je predodređen činjenicom da su svi logički sistemi zasnovani na dobro razvijenom matematičkom aparatu Boole algebre. Ova teorija omogućava da se dokaže da je konstrukcija proizvoljne logičke funkcije moguća kroz uređenu kompoziciju samo jednog elementarnog operatora - logičkog I-NE (ili ILI-NE). To jest, svaki strogo logički sistem može biti dizajniran od elemenata samo jednog tipa, na primjer NAND.

Potpuno drugačija situacija je u oblasti projektovanja (sinteze) i analize (dekompozicije) dijagrama kola analognih sistema. U analognoj elektronici još uvijek nema jedinstvenog opšteprihvaćenog matematičkog aparata koji bi omogućio rješavanje problema analize i sinteze sa jedinstvene metodološke pozicije. Razloge za ovaj fenomen treba tražiti u istoriji razvoja analogne elektronike.

U ranim fazama, sklop analognih uređaja razvijao se u skladu s konceptima metode funkcionalnog čvora, čija je glavna ideja bila podjela složenih dijagrama kola na čvorove. Čvor se sastoji od grupe elemenata i obavlja vrlo specifičnu funkciju. Kada se kombinuju, čvorovi formiraju blokove, daske, ormare, mehanizme - tj. neke objedinjene strukture koje se nazivaju uređaji. Kombinacija uređaja čini sistem. Funkcionalno-čvorna metoda pretpostavljala je da elementarne komponente sistema trebaju biti čvorovi, čiji je glavni zadatak obavljanje vrlo specifične funkcije.

Zbog toga je kao kriterij za klasifikaciju čvorova uzeta funkcionalnost, odnosno činjenica da čvor obavlja neku funkciju. Međutim, kako se elektronika razvijala, postojao je izuzetno veliki broj namjenskih i izoliranih funkcija (a samim tim i čvorova). Nestala je svaka mogućnost njihovog minimiziranja i ujedinjenja, neophodna za sintezu složenih sistema. Zbog toga je razvoj matričnih analognih LSI (MABIS) i reprogramabilnih analognih integriranih kola (PAIS) bio i nastavlja biti sputan.

Stanje u oblasti programabilnih analognih kola može se pratiti analizom razvoja vodećih ruskih i stranih kompanija. Tako su stručnjaci iz OJSC NIITT i fabrike Angstrem svoje napore usmjerili na razvoj i proizvodnju analogno-digitalnih BMC-a (osnovnih matričnih kristala) tipa Rul N5515HT1, N5515HT101, namijenjenih za prikupljanje podataka, nadzor i sisteme upravljanja, za medicinsku opremu i mjerne sisteme.

Dizajn ovih BMK uključuje analognu i digitalnu matricu. Digitalna matrica sadrži 115 digitalnih baznih ćelija (230 2N-NOT kapija), koje su raspoređene u pet redova od po 23 ćelije u redu. Analogna matrica kombinuje 18 analognih baznih ćelija raspoređenih u dva reda od po 9 ćelija. Između redova analognih ćelija nalaze se dva reda kondenzatora (nominalni 17,8 pF) i dva reda difuzijskih otpornika (po 24,8 kOhm). Između analognog i digitalnog dijela nalazi se niz otpornika od 3,2 kOhm.

BMK obezbeđuje dva tipa analognih ćelija (A i B). Ćelije tipa A sastoje se od 12 PRP i četiri RLR izolovana kolektorska tranzistora i 38 difuzijskih otpornika sa više odvoda. U ćelijama tipa B, četiri lRL tranzistora su zamijenjena sa dva p-MOS tranzistora. Periferne ćelije tipa A i B sadrže po četiri moćna LRL tranzistora (u ćelijama tipa B - sa izolovanim kolektorom) i dva bipolarna tranzistora.

Digitalne bazne ćelije dolaze u tri tipa - četiri l-MOS tranzistora, četiri p-MOS tranzistora i komplementarni par bipolarnih tranzistora. Osim toga, na periferiji kristala nalaze se moćne digitalne ćelije koje sadrže četiri moćna l-MOS i r-MOS tranzistora, kao i dva lrl tranzistora povezana prema Darlingtonovom kolu.

Za BMK su razvijene biblioteke standardnih analognih i digitalnih elemenata, koje značajno olakšavaju i ubrzavaju proces projektovanja uređaja na bazi BMK. Ovi i slični BMK sadrže skupove električnih radio elemenata (ERE) koji nisu međusobno povezani, iz kojih se može dobiti određeni broj funkcionalnih jedinica navedenih u biblioteci. Glavni nedostatak takvih mikro krugova je vrlo uzak opseg primjene, ograničen na specifične vrijednosti ocjena i druge karakteristike elektroenergetskih elemenata u datom setu. Mogućnosti funkcionalnih jedinica razvijenih i preporučenih za ovaj set date su u biblioteci koja prati čip.

Rice. 1. Struktura ispPAC-10

Od 2000. godine Lattice Semiconductor proizvodi programabilna analogna integrisana kola (PAIC) ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit) familije sa programiranjem u sistemu, tj. bez skidanja sa štampane ploče. Do sredine 2000. godine proizvodila su se tri člana ove porodice: ispPAC-Yu (slika 1), ispPAC-20 (slika 2) i ispPAC-80. Integrišu do 60 aktivnih i pasivnih elemenata, koji se konfigurišu, simuliraju i programiraju pomoću PAC-Designer paketa.

PAIS iz ispPAC porodice sadrži:

Kola serijskog sučelja, registri i elementi električki reprogramabilne nepromjenjive memorije (EEPROM), osiguravaju matričnu konfiguraciju;
programabilne analogne ćelije (PACcells) i programabilni analogni blokovi (PACblocks) koji se sastoje od njih;
programabilni elementi za interkonekcije (ARP - Analog Routing Pool).

Arhitektura ove serije bazirana je na osnovnim ćelijama koje sadrže: instrumentacijsko pojačalo (IA); izlazno pojačalo (OA), implementirano pomoću kola za sabiranje/integrator; 2,5 V izvor referentnog napona (ION); 8-bitni DAC sa naponskim izlazom i dvostrukim komparatorom (CP). Da bi se povećao dinamički opseg obrađenih signala, analogni ulazi i izlazi ćelija (osim ION-a) su napravljeni pomoću diferencijalnog kola. Dva DUT-a i jedan VU formiraju makroćeliju, nazvanu PAC blok, u kojoj su izlazi DUT-a povezani sa ulazima za sumiranje VU-a. IspPAC-10 čip uključuje četiri PAC bloka, a ispPAC-20 - dva. IspPAC-20 takođe uključuje DAC i komparatorske ćelije. U ćeliji je pojačanje DUT-a programirano u rasponu od -10 do +10 u koracima od 1, au povratnom kolu VU - vrijednost kapacitivnosti kondenzatora (128 mogućih vrijednosti) i uključivanje/isključivanje otpor.

Brojni proizvođači IC-a koriste tehnologiju “switched capacitor” za programiranje analognih funkcija, što uključuje promjenu kapacitivnosti kola za podešavanje frekvencije pomoću elektronskog prekidača koji se prebacuje prema uvjetima.

Rice. 2. Struktura ispPAC-20

Lattice-ov pristup se zasniva na upotrebi kola sa vremenski konstantnim karakteristikama koje se mogu promeniti tokom rekonfiguracije sistema bez isključivanja napajanja. Ovo poboljšanje je značajno jer eliminiše dodatnu obradu signala koja je potrebna u prvoj metodi.

Alati za interno rutiranje (Analog Routing Pool) omogućavaju vam da povežete ulazne pinove mikrokola, ulaze i izlaze makro ćelija, DAC izlaz i ulaze komparatora jedni s drugima. Kombinacijom nekoliko makroćelija moguće je izgraditi kola podesivih aktivnih filtera u frekvencijskom opsegu od 10 do 100 kHz, na osnovu upotrebe integratorske sekcije.
Treba napomenuti da su ispPAC kompanije Lattice najbliži PAIS-u. Njihov jedini nedostatak je što ne postoji sistem univerzalnih osnovnih elemenata koji bi omogućio dizajn ne samo podesivih aktivnih filtera, već i prilično širokog spektra analognih sistema. Upravo ta okolnost sprečava da ispPAC iz Lattice Semiconductor-a postane analog FPGA-a kompanija kao što su Altera i Xilinx.

Općenito, analizirajući situaciju u području razvoja i praktične implementacije analognih mikro krugova, može se napraviti niz generalizacija:

Većina industrijski implementiranih analognih mikro kola ne može se klasifikovati kao LSI u smislu stepena integracije;
analogni LSI i BMK su namijenjeni za projektovanje uređaja određene klase, tj. nisu univerzalni;
Prilikom projektovanja velikih analognih sistema, metoda funkcionalnih čvorova ostaje dominantna (specijalizovani IC setovi, na primer za televizijske prijemnike).

Jedinstvena osnova dizajna za FPGA i MABIS

Međutim, zadatak razvoja jedinstvenog dizajna kola za analogne sisteme još uvijek ima rješenje, pokušat ćemo teorijski potkrijepiti i pokazati moguće pravce za praktičnu implementaciju predstavljenih ideja.

Prije svega, treba izabrati matematički model velikog analognog elektronskog sistema koji bi omogućio identifikaciju male grupe osnovnih elemenata. U oblasti analize i sinteze elektronskih kola praktično ne postoje alternative matematičkom aparatu sistema linearnih diferencijalnih jednačina, koji je prepoznat još šezdesetih godina prošlog veka. Napominjemo, međutim, da ideja o praktičnoj masovnoj upotrebi ove metodologije još nije zaokupila umove svih stručnjaka.

Sistem diferencijalnih jednadžbi sastoji se od elemenata, njihovih veza i karakteriše ga određena struktura. Elementarna osnova diferencijalnih jednačina proučavana je u prvoj polovini prošlog veka u okviru naučne discipline „automatizacija“. U ovoj oblasti se pojavila takva prednost diferencijalnih jednadžbi kao što je unifikacija: njihov oblik ne zavisi od opisanog modela procesa. Međutim, u standardnom obliku pisanja diferencijalne jednačine nema vizuelnih informacija o prirodi odnosa u sistemu koji se proučava. Zbog toga su se tokom razvoja teorije automatskog upravljanja razvijale metode za vizuelno prikazivanje strukture sistema diferencijalnih jednačina u obliku raznih vrsta dijagrama.

Do kraja 60-ih godina dvadesetog stoljeća, moderno gledište o strukturnoj organizaciji modela dinamičkih sistema u potpunosti se razvilo. Formiranje matematičkog modela sistema počinje njegovom podjelom na veze i njihovim naknadnim opisom – bilo analitički u obliku jednačina koje povezuju ulazne i izlazne veličine veze; ili grafički u obliku mnemodijagrama sa karakteristikama. Na osnovu jednačina ili karakteristika pojedinih karika sastavljaju se jednačine ili karakteristike sistema u cjelini.

Veze dinamičkih sistema identifikovane kao tipične

Naziv jedinice	Jednačina veze y(t)=f(u(t))	Prijenosna funkcija W(s)=y(s)/u(s)	Elementarne komponente
Proporcionalno
Integracija	dy(t)/dt = ku(t); py = ku
Diferenciranje	y(t)=k·du(t)/dt; y = kpu
Aperiodični 1. red
Forsiranje 1. reda
Integracija inercijalnog		W(s) = k/
Diferencijalna inercija		W(s) = ks/(Ts+1)
Izodromnoe		W(s) = k(Ts+1)/s
Oscilatorno, konzervativno, aperiodično 2. reda	(T 2 p 2 +2ξTp+1)y = ku	W(s)=k/(T 2 p2+2ξTp+1)

Imajte na umu da ako je za funkcionalni dijagram sistem podijeljen na veze na osnovu funkcija koje obavljaju, onda je za matematički opis sistem fragmentiran na osnovu pogodnosti dobijanja opisa. Zbog toga bi linkovi trebali biti što jednostavniji (manji). S druge strane, kada se sistem dijeli na veze, matematički opis svake veze se mora sastaviti bez uzimanja u obzir njenih veza sa drugim vezama. To je moguće ako veze imaju usmjerenost djelovanja – tj. prenose utjecaj samo u jednom smjeru, od ulaza do izlaza. Tada promjena stanja bilo koje veze ne utiče na stanje prethodne veze.

Ako je ispunjen uslov usmjerenosti djelovanja karika, može se dobiti matematički opis cjelokupnog sistema u obliku sistema nezavisnih jednačina pojedinih karika, dopunjenih jednačinama veze između njih. Najčešćim (tipičnim) linkovima se smatra aperiodična, oscilatorna, integrirajuća, diferencirajuća veza sa konstantnim kašnjenjem.

Problem elementarnih veza u modelima oblika sistema diferencijalnih jednačina proučavao je veći broj autora. Analiza pokazuje da se njihove pozicije uglavnom svode na konstataciju činjenice postojanja tipičnih karika i proučavanje njihove uloge u procesu formiranja složenijih struktura. Odabir u grupu tipičnih jedinica vrši se proizvoljno, bez ikakvih kriterija. Različiti linkovi su uključeni u liste tipičnih linkova bez objašnjenja ili opravdanja, a pojmovi „jednostavan“ i „elementaran“ se takođe koriste podjednako za označavanje tipičnih veza (vidi tabelu). U međuvremenu, proučavanje brojnih „tipičnih“ veza dinamičkih sistema primenom metoda strukturnih matrica pokazuje da samo tri veze – proporcionalna, integrišuća i diferencirajuća – ne sadrže matrične cikluse u svojim strukturnim matricama. Stoga se samo oni mogu nazvati elementarnim. Sve ostale veze su izgrađene kombinovanjem elementarnih veza.

Dakle, ako su proporcionalna karika s prijenosnom funkcijom W B (s) = k B i diferencirajuća karika s prijenosnom funkcijom W A (s) = k A s spojene prema krugu negativne povratne sprege (slika 3), onda je ekvivalent prijenosna funkcija

Dakle, rezultat se, do vrijednosti vremenskih konstanti, poklapa s prijenosnom funkcijom aperiodične veze prvog reda. To znači da se ova karika može dobiti povezivanjem proporcionalnih i diferencirajućih karika prema kolu sa negativnom povratnom spregom i stoga se ne može smatrati elementarnom.

Fig.3. Ekvivalentno kolo aperiodične veze

Preostale veze uključene u tabelu mogu se konstruisati na isti način. Posebnu pažnju treba obratiti na funkciju prenosa oscilatorne veze (T 2 p 2 + 2ξTp + 1)y = ku. Dakle, ako su dvije aperiodične veze s prijenosnim funkcijama koje se razlikuju samo po vremenskim konstantama povezane u seriju, tada će ekvivalentna prijenosna funkcija poprimiti oblik

Dakle, rezultat, do vrijednosti vremenskih konstanti, poklapa se s prijenosnom funkcijom veze koja se proučava. Shodno tome, oscilatorne, konzervativne i aperiodične veze 2. reda mogu se dobiti serijskim povezivanjem karika prvog reda. To znači da se ne mogu smatrati elementarnim, iako ih je u principu dozvoljeno nazvati tipičnim.

Analiza rezultata datih u zadnjoj koloni tabele omogućava nam da zaključimo da se povezivanjem elementarnih karika mogu dobiti veze kao što su aperiodične, izodromne, forsirajuće, diferencirajuće inercijalne i integrirajuće inercije. Da bi se dokazalo da se prijenosne funkcije drugih tipičnih veza mogu dobiti povezivanjem elementarnih veza, bilo bi potrebno analizirati veze tri, četiri i tako dalje veze prema tipičnim šemama povezivanja. Isti rezultat se može dobiti ako razmotrimo veze elementarnih karika sa tipičnim vezama prvog reda. Neka od ovih istraživanja su već urađena, rezultati su predstavljeni u radu.

Dakle, dokazano je da je povezivanjem elementarnih veza prilično jednostavno dobiti sve funkcije prijenosa takozvanih standardnih dinamičkih veza. Posljedično, proizvoljni dinamički sistemi mogu se sintetizirati korištenjem operatora množenja i povezivanja samo tri elementarne veze: proporcionalne, diferencirajuće i integrirajuće. Ovaj zaključak je od fundamentalnog značaja, jer određuje elementarnu osnovu neophodnu za konstrukciju linearnih dinamičkih sistema bilo kog reda, uključujući i radioelektronska kola. A ako se dinamički sistemi trebaju graditi iz ograničenog spektra dinamičkih veza, kao u slučaju MABIS-a i PAIS-a, onda je izvučeni zaključak posebno važan.

Fig.4. Jednostavna strujna rješenja elementarnih jedinica: a) višeulazni sabirač, b) diferencijalni pojačavač (proporcionalna veza), c) diferencijator (diferencijacijska veza), d) integrator (integrirajući link)

Postaje moguće sintetizirati proizvoljne analogne uređaje iz samo pet funkcionalnih jedinica - multipleksora, sabirača, množitelja, integratora i diferencijatora (slika 4)! Imajte na umu da je prikazano na sl. 4 dijagrama ne treba doživljavati kao stvarno dokazana rješenja kola, već samo kao opravdanje za mogućnost zamjene elementarnih karika u funkcionalnom dijagramu osnovnim radioelektronskim elementima. Zamjenom elementarnih veza funkcionalnih kola sa njihovim hardverskim parnjacima, moguće je dizajnirati analogne uređaje sa određenim karakteristikama.

Primjer sinteze analognog uređaja

Razmotrimo vrlo jednostavan primjer sinteze dijagrama kola analognog uređaja prema modelu specificiranom sistemom diferencijalnih jednadžbi u obliku Laplaceovih transformacija oblika: x 0 = g, x 1 = x 0 - 2x 2 /s, x 2 = 10x 1 /s, x 3 = x 2 - 10x 4 /s, x 4 = 500x 3 /s.

Konstruirajmo strukturnu matricu ovog sistema diferencijalnih jednadžbi i označimo matrične cikluse strelicama:
Pomoću jednadžbi i strukturne matrice rekonstruisaćemo blok dijagram uređaja (slika 5). U skladu sa strukturnom matricom, sistem ima dvije negativne povratne veze: čvor 2 -> čvor 1 i čvor 4 -> čvor 3, respektivno. Pošto je blok dijagram na slici 5 u početku izgrađen na elementarnim vezama, može se smatrati funkcionalnim dijagramom elektronskog uređaja.

Sl.5. Blok dijagram sintetiziranog uređaja (korak po korak)

Iz rezultata simulacije (slika 6) sintetizovanog kola jasno je da sa datim parametrima predstavlja dva serijski spojena generatora. To jest, vrlo jednostavan uređaj, koji se sastoji od samo četiri integrirajuće jedinice, obavlja relativno složenu funkciju modulacije niskofrekventne oscilacije visokofrekventnom.
Imajte na umu da prilikom projektovanja i proizvodnje MABIS-a i PA-IS-a uopšte nije potrebno koristiti hardverske analoge elementarnih jedinica napravljenih na operacionim pojačavačima, kao na slici 4, iako su na ovoj osnovi najbolje razvijeni. Najperspektivnija je implementacija hardverskih analoga elementarnih jedinica pomoću optoelektronskih komponenti, iako su moguće i sve druge opcije.

Fig.6. Oscilogram sintetizovanog uređaja

Univerzalni MABIS i PAIS - moguće je

Dakle, možemo razlikovati pet elementarnih (najjednostavnijih) komponenti bilo koje REA, koje odgovaraju glavnim operatorima sistema diferencijalnih jednačina: množenje, diferencijacija, integracija, sabiranje i reprodukcija (multipleksiranje). Metodologija projektovanja analognih elektronskih uređaja uključuje:

Korišćenje kao početnih podataka za projektovanje matematičkog modela u obliku sistema od n diferencijalnih jednačina prvog reda (ili diferencijalne jednačine l-tog reda;
konstruisanje strukturne matrice projektovanog uređaja i pronalaženje matričnih ciklusa;
restauracija strukturnog dijagrama projektovanog uređaja;
transformacija strukturnog dijagrama u funkcionalni zamjenom tipičnih veza skupom elementarnih veza;
pretvaranje funkcionalnog dijagrama projektovanog uređaja u dijagram električnog kola zamjenom elementarnih veza sa ekvivalentnim hardverskim osnovnim elementima (možda će nam korištenje modernih CAD sistema omogućiti da izbjegnemo ovu fazu sintezom topologije direktno iz funkcionalnog opisa);
razvoj topologije projektovanog uređaja.

Predloženi pristup ima niz odlučujućih prednosti.

Dakle, funkcionalni dijagram projektovanog uređaja je sintetizovan iz originalnog sistema diferencijalnih jednačina korišćenjem standardnih matričnih transformacija, koje se mogu naručiti i konvertovati u algoritam za automatske proračune. Dijagram električnog kola se sintetizira iz funkcionalnog dijagrama jednostavnom zamjenom elementarnih dinamičkih veza s ekvivalentnim osnovnim elementima. Modeliranje uređaja pomoću CAD alata također ga može znatno olakšati.

Dakle, kako skup elementarnih jedinica nije brojan, postoji realna mogućnost projektovanja univerzalnih MABIS-a i PAIS-a. Što, pak, uvelike pojednostavljuje dizajn analognih i digitalno-analognih uređaja i otvara atraktivne izglede za daljnji razvoj elektronike općenito.

LITERATURA
1. Alenin S., Ivanov V., Polevikov V., Trudnovskaya E. Implementacija specijalizovanih analogno-digitalnih uređaja na bazi BIK MOS BMKtype N5515HT1. - ChipNews, 2000, br. 2.
2. Kurbatov. A. Programabilna analogna integrirana kola. Život ide dalje. - Komponente i tehnologije, 2000, br. 2.
4. Ku E.S., Sorer R.A. Primjena metode varijabli stanja u analizi kola. - TIEER, 1965, br. 7.
5. Ilyin V.N. Kompjuterski potpomognuto projektovanje elektronskih kola. - M.: Energija, 1972.
6. Yurevich E.I. Teorija automatskog upravljanja. - L.: Energija, 1975.
7. Kuropatkin P.V. Teorija automatskog upravljanja. - M.: Viša škola, 1973.
8. Voronov A.A., Titov V.K., Novogranov B.N. Osnove teorije automatske regulacije i upravljanja. - M.: Viša škola, 1977.
9. Voronov A.A. Teorija automatskog upravljanja. Dio 1. Teorija linearnih automatskih upravljačkih sistema. - M.: Viša škola, 1977.
10. Mišin G.T. Prirodno naučne osnove analogne mikroelektronike. - M.: MIEM, 2003.
11. Shatikhin L.G. Strukturne matrice i njihova primjena u sistemskim istraživanjima. - M.: Mašinstvo, 1974.
12. Shatikhin L.G. Strukturne matrice i njihova primjena u sistemskim istraživanjima. - M.: Mašinstvo, 1991.
13. Analogna integrirana kola. /Ed. J. Connelly.
-M.: Mir, 1977.
14. J. Lenk. Elektronska kola. Praktični vodič. - M.: Mir, 1985.
15. Nesterenko B.K. Integrirana operaciona pojačala. - M.: Energoizdat, 1982.

16. Horowitz P., Hill W. Umjetnost dizajna kola T. 1. - M.: Mir, 1983.

Savremeni digitalni računari omogućavaju izvođenje širokog spektra matematičkih operacija sa brojevima sa velikom preciznošću. Međutim, u mjernim i kontrolnim sistemima, količine koje treba obraditi su obično kontinuirani signali, na primjer, promjene vrijednosti električnog napona. U tim slučajevima potrebno je koristiti analogno-digitalne i digitalno-analogne pretvarače. Ovaj pristup je opravdan samo kada su zahtjevi za preciznošću proračuna toliko visoki da se ne mogu ispuniti korištenjem analognih računara. Postojeći analogni računari daju tačnost ne veću od 0,1%. Najvažniji analogni računarski krugovi op-amp su razmotreni u nastavku. Obično ćemo pretpostaviti da su op pojačala idealna. Ukoliko postoje visoki zahtjevi za preciznošću izvođenja matematičkih operacija, potrebno je uzeti u obzir i svojstva stvarnih pojačala.

Da zbrojite nekoliko napona, možete koristiti operacijsko pojačalo u invertirajućoj vezi. Ulazni naponi se preko dodatnih otpornika dovode do invertnog ulaza pojačala (slika 1). Pošto je ova tačka virtualna nula, na osnovu Kirchhoffovog 1. zakona pri nultim ulaznim strujama idealnog op-pojačala, dobijamo sljedeći odnos za izlazni napon kola:

U van / R  = - (U 1 /R 1 + U 2 /R 2 + ... + Un/Rn).

Rice. 1. Invertujuće kolo sabirača

Šema integracije

Najvažnija upotreba za analogno računarstvo je upotreba operacionih pojačala za implementaciju integracijskih operacija. U pravilu se za to koristi invertna veza op-pojačala (slika 2).

Rice. 2. Invertujuće kolo integratora

Prema prvom Kirchhoffovom zakonu, uzimajući u obzir svojstva idealnog op-pojačala, za trenutne vrijednosti slijedi: i 1 = - i c. Pošto i 1 = u 1 /R 1, a izlazni napon kola je jednak naponu na kondenzatoru:

tada je izlazni napon određen izrazom:

stalni član u out(0) određuje početni uslov integracije. Korištenjem sklopnog kola prikazanog na slici 3, mogu se ostvariti potrebni početni uslovi. Kada ključ S 1 je zatvoren i S 2 je otvoreno, ovo kolo radi isto kao i kolo prikazano na slici 2. Ako je ključ S 1 se otvori, tada će struja punjenja s idealnim op-pojačalom biti jednaka nuli, a izlazni napon će zadržati vrijednost koja odgovara trenutku isključivanja. Za postavljanje početnih uslova, sa otvorenim ključem, S 1 zatvorite ključ S 2. U ovom načinu rada, kolo modelira inercijsku vezu čak i nakon završetka prijelaznog procesa, čije je trajanje određeno vremenskom konstantom R 3 C, napon će se uspostaviti na izlazu integratora

U out = - (R 3 /R 2)U 2 .

Rice. 3. Integrator sa lancem za postavljanje početnih uslova

Nakon zatvaranja ključa S 1 i ključ za otvaranje S 2 integrator počinje da integriše napon U 1 počevši od vrijednosti (2). Burr-Brown proizvodi dvokanalni integrator ACF2101 sa ugrađenim 100 pF integrirajućim kondenzatorima, prekidačima za resetiranje i zadržavanje. Ulazne struje pojačavača ne prelaze 0,1 pA.

Koristeći formulu za određivanje koeficijenta prijenosa invertnog pojačala i uzimajući u obzir da je u kolu na sl. 2 R 1 =R, a umjesto toga R 2 kondenzator sa otporom operatera je uključen Z 2 (s)=1/(sC), možemo pronaći prijenosnu funkciju integratora

Zamjena u (2) s=j , dobijamo frekvencijski odziv integratora:

Stabilnost integratora može se procijeniti frekvencijskim karakteristikama povratne petlje, a u ovom slučaju koeficijent prijenosa povratne petlje će biti složen:

Za visoke frekvencije  teži 1 i njegov argument će biti nula. U ovom frekventnom području, kolo je podložno istim zahtjevima kao i pojačalo s povratnom spregom. Stoga, korekciju frekvencijskog odziva također treba uvesti ovdje. Češće se za izgradnju integratora koristi pojačalo sa internom korekcijom. Tipičan LFC integracionog kola op-amp je prikazan na Sl. 4. Konstanta integracije  = R.C. uzeti jednako 100 μs. Od sl. 4 može se vidjeti da će u ovom slučaju minimalno pojačanje povratnog kola biti | K p |=|  K U |  600, tj. greška integracije ne veća od 0,2% će biti osigurana, ne samo za visoke, već i za niske frekvencije.

Rice. 4. Frekvencijski odziv integratora

Zaključno, operativni pojačivači koji rade u integratorskim kolima imaju posebno visoke zahtjeve u pogledu ulaznih struja, pomaka napona i diferencijalnog pojačanja napona. K U. Velike struje i nulti pomak mogu uzrokovati značajan pomak u izlaznom naponu kada nema signala na ulazu, a kada je pojačanje nedovoljno, integrator je niskopropusni filter prvog reda sa pojačanjem K U i vremenska konstanta (1+ K U) R.C.

Shema diferencijacije

Zamjenom otpornika i kondenzatora u integratorskom kolu na sl. 2, dobijamo diferencijator (slika 5). Primjena prvog Kirchhoffovog zakona za invertni ulaz op-ampa u ovom slučaju daje sljedeći odnos:

C(dU unos/ dt) +U van / R= 0,

U van = – R.C.(dU unos/ dt).

Rice. 5. Diferencijalno kolo

Korištenje formule

i s obzirom na to na dijagramu na sl. 5 umjesto toga R 1 korišten 1/ sC, a R 2 =R, nađimo prijenosnu funkciju diferencijatora

proporcionalno frekvenciji.

Praktična implementacija šeme diferencijacije prikazane na Sl. 5, povezan je sa značajnim poteškoćama iz sljedećih razloga:

prvo, kolo ima čisto kapacitivni ulazni otpor, koji, ako je izvor ulaznog signala drugo operativno pojačalo, može uzrokovati nestabilnost;

drugo, diferencijacija u visokofrekventnom području, u skladu sa izrazom (4), dovodi do značajnog pojačanja visokofrekventnih komponenti, što pogoršava odnos signal-šum;

treće, u ovom kolu, u petlji povratne sprege op-pojačala, uključuje se inercijalna veza prvog reda, stvarajući fazno kašnjenje do 90 u području visoke frekvencije:

Ovo povećava fazno kašnjenje op-pojačala, koje može biti čak ili čak veće od 90, uzrokujući nestabilnost kola.

Ovi nedostaci se mogu eliminisati povezivanjem dodatnog otpornika u seriju sa kondenzatorom. R 1 (prikazano isprekidanom linijom na slici 5). Treba napomenuti da uvođenje takve korekcije praktički ne smanjuje raspon radnih frekvencija diferencirajućeg kruga, jer na visokim frekvencijama, zbog smanjenja pojačanja u povratnom kolu, i dalje radi nezadovoljavajuće. Veličina R 1 WITH(i stoga nula prijenosna funkcija RS– kola) preporučljivo je izabrati tako da na frekvenciji f Pojačanje petlje povratne sprege je bilo 1 (vidi sliku 6).

Rice. 6. LFC sheme diferencijacije na op-amp

Elektronska kola mogu direktno vršiti funkcionalne transformacije signala - pojačavanje, sabiranje, množenje, dijeljenje, kvadriranje, zbrajanje, integracija, diferencijacija i druge. Svaki element je dizajniran da izvrši jednu od privatnih operacija svojstvenih datom čvoru.

Među najčešće korištenim funkcionalnim elementima su krugovi pojačala koji sadrže op-pojačala.

Invertujuće pojačalo. Dijagram povezivanja za invertujuće op-amp je prikazan na slici 7.5a. Ulazni signal Uin se dovodi na invertujući ulaz op-pojačala, dok je negativna povratna sprega R2 organizovana sa izlaza op-pojačala na invertujući ulaz. Izlazni signal U out je povezan sa ulaznim signalom U in na sljedeći način:

U izlaz /R 2 = -U u /R 1,

a pojačanje napona je:

K=-U izlaz / U ulaz =-R 2 /R 1.

Neinvertujuće pojačalo prikazano na slici 10.5b. Ulazni signal Uin se dovodi na neinvertujući ulaz, a invertujući ulaz je povezan sa zajedničkom žicom preko otpora R 3 . Negativna povratna sprega kroz otpor R 2 osigurava stabilan rad pojačala. Izlazni napon se određuje prema izrazu:

U izlaz = U u R 4 (1 + R 2 / R 1)/(R 3 + R 4).

Slika 7.5 – Funkcionalni elementi automatizacije u operacionoj sali

pojačalo

Na slici 7.5c. Prikazan je dijagram diferencijalnog povezivanja operacionog pojačala, čiji je izlazni napon proporcionalan razlici između ulaznih signala koji se dovode na invertirajući i neinvertirajući ulaz:

U izlaz = U 2 R 4 (1 + R 2 / R 1)/(R 3 + R 4) - U 1 (R 2 / R 1).

Diferencijalni krug op-pojačala ima veću funkcionalnost od ostalih o kojima se raspravljalo gore.

Na slici 7.6. prikazuje skalirajuće pojačalo koje se može koristiti kao ulazni element za step kontrolu, na primjer, u regulatoru (postepena kontrola pojačanja).

Pojačalo za sumiranje se široko koristi. Može se koristiti kao element za oblikovanje koji implementira geometrijsko zbrajanje nekoliko naizmjeničnih naprezanja.

Najčešće, kada se implementira sumirajući pojačavač, koristi se invertna veza op-pojačala, kada se napaja nekoliko ulaznih napona U 1, U 2, U 3, svaki kroz pojedinačni ulazni otpornik R 1, R 2, R 3 na invertujući ulaz (slika 7.7).

Slika 7.6 – Pojačalo za skaliranje.

U op-amp, ukupna struja ulaza teče kroz povratni otpornik i, uzimajući u obzir nulti napon na invertirajućem ulazu, izlazni napon je jednak

U izlaz = R 4 (U 1 + U 2 + U 3)/(R 1 +R 2 +R 3).

Slika 7.7 – Pojačalo za sumiranje.

Slika 7.8 – Integrirajući element.

Integrirajući element se koristi za integraciju signala tokom vremena u proračunskim krugovima, a također i kao filteri signala (slika 7.8). Njegova glavna karakteristika je vremenska konstanta integracije t= R 1 C 1. Integracija ulaznog signala tokom vremena vrši se na kapacitivnosti C1, uključenoj u povratnu spregu op-pojačala.

Diferencijalni element se često koristi za dobijanje derivata ulaznog signala (slika 7.9). Na izlazu ovog elementa signal odgovara prvom izvodu ulaznog signala.

Slika 7.9 – Diferencijalni element.

Komparatori. Komparatori su uređaji za poređenje signala u određenom trenutku (slika 7.10). Svaki put kada je razlika između dva ulazna signala jednaka nuli, izlazni napon se mijenja od donje (logičke 0) do gornje (logičke 1) granične vrijednosti. Komparatori mogu biti analogni ili digitalni.

U analognim komparatorima, dva analogna signala se upoređuju na ulazu, a logički signal na izlazu.

Digitalni komparatori sadrže signale u digitalnom obliku i na ulazu i na izlazu.

Slika 7.10 – Analogni komparator.

U analognom komparatoru (slika 7.10a), operacioni pojačavač radi bez povratne sprege, pa stoga ima vrlo veliko pojačanje. Invertujući ulaz se napaja referentnim naponom U op, čija vrijednost može varirati (slika 7.10b). Analizirani signal U x se dovodi na neinvertujući ulaz. Svaka promjena razlike ulaznog napona uzrokuje skok izlaznog napona U out. Ako U x >= U o, tada se logička 1 pojavljuje na izlazu op-amp 1 if U x , zatim – logička 0.

Ako je U op = 0, onda se takav komparator naziva nulti organ.

Komparatori se široko koriste u poređenju uređaja upravljačkih sistema, digitalne tehnologije - analogno-digitalnih i digitalno-analognih pretvarača.

Digitalno-analogni pretvarač (DAC). Digitalno-analogni pretvarači imaju brojne primjene za direktno pretvaranje digitalnih signala u analogne i za pružanje povratne informacije napona unutar analogno-digitalnih pretvarača.

DAC je otporni djelitelj napona kontroliran digitalnim kodom q 1 ....q n - skupom logičkih nula i jedinica koje karakteriziraju ulaznu informaciju. Najčešće korištena otporna matrica R-2R(Sl. 7.11). Matricu opslužuju dvosmjerni ključevi Kl, čiji je broj jednak broju značajnih binarnih znamenki. Ako postoje logičke nule na svim ulazima q, CL prekidači su povezani na nultu magistralu i postoji nulti potencijal na izlazu pojačala op-amp 1.

Slika 7.11 – DAC kolo sa R-2R matricom

Po dolasku u prvi razred q 1 ključ logičke jedinice KL1 povezuje se na op-amp 1 preko otpornika 2R i lanca otpornika R referentnog napona U op. Kao rezultat, na izlazu op-pojačala 1 pojavljuje se korak napona Δu out. Kada logička jedinica višeg reda (većeg broja) stigne na ulaz DAC-a, npr. q 2, druga otporna grana sa referentnim naponom je povezana na ulaz op-pojačala 1 i još jedan korak napona će biti dodat na izlaz op-pojačala 1. Izlazni napon raste u koracima s kvantom (korak):

,

Gdje n- broj cifara.

Rezolucija DAC-a određena je brojem cifara i preciznošću proizvodnje matričnih otpornika.

Analogno-digitalni pretvarač (ADC)). ADC se koriste za pretvaranje analognih signala sa senzora i izvora signala u digitalni oblik za naknadnu obradu u kompjuteru ili mikroprocesoru. Postoji nekoliko poznatih principa za konstruisanje analogno-digitalnih pretvarača - vremenski sweep, bit-by-bit kodiranje, servo balansiranje, čitanje.

ADC kolo za očitavanje je prikazano na slici 7.12a. ADC je izgrađen na osnovu preciznog otpornog djelitelja napona R 1 ... R N , napravljenog od otpornika i komparatora iste vrijednosti K 1 ... K N , gdje je N broj nivoa kvantizacije ulaznog signala U in.

Na izlazima komparatora javlja se pozicijski kod 0 ili 1 kada broj aktiviranih komparatora (šifra 1), počevši od prvog, odgovara nivou izmjerene vrijednosti. Brzina komparatora je određena vremenom kašnjenja komparatora. Za slučaj prikazan na slici 7.12b, ulazni signal U in pripada drugom nivou - radila su prva dva komparatora K 1 i K 2. Digitalni kod na izlazu ADC-a će biti 1 1 0 0. ADC za očitavanje može imati neograničen broj bitova.

Za obradu stvarnog signala koristi se skup gore navedenih i drugih elemenata, čiji su krugovi određeni specifičnim zadacima obrade signala.

Slika 7.12 – ADC očitavanje.

Za izgradnju elektronskih kola ugrađenih u sisteme automatizacije potrebni su različiti funkcionalni pretvarači, kao i uređaji koji implementiraju tipične nelinearnosti.

Funkcionalni maperi mogu se izvršiti za implementaciju jedne ili više zavisnosti.

U prvom slučaju, na primjer, za reprodukciju samo jedne ovisnosti: eksponencijalnu, funkciju snage, trigonometrijsku, itd., pretvarači se nazivaju specijalizirani.

U drugom slučaju, ako se pretvarači mogu ponovo izgraditi promjenom svojih parametara za reprodukciju mnogih ovisnosti, oni se nazivaju univerzalni.

Pretvarači zasnovani na prirodnim nelinearnostima koriste nelinearne dijelove strujno-naponskih karakteristika različitih poluvodičkih uređaja. Na primjer, strujno-naponske karakteristike str-n prijelazi, ovisnost fotostruje o osvjetljenju, ovisnost otpora termistora o temperaturi, ovisnost prirodne frekvencije oscilacija različitih elastičnih rezonatora o silama koje se na njih primjenjuju, itd. Logaritamski i eksponencijalni pojačivači koji koriste nelinearnosti str-n tranzicije su dobro razvijene i široko se koriste u mjernoj tehnologiji.

Na sl. 7.13 prikazuje dijagram uređaja za generiranje analognog signala U in na kvadrat, na osnovu upotrebe nelinearnosti fotootpornog optospojnika. Fotootporni optospojnik je par LED fotootpornika D 1 – R 2, izvedena integralno. Vrijednost otpora za fotootpornik optokaplera obrnuto je proporcionalna naponu primijenjenom na LED diodu. Faktor proporcionalnosti K optospojnik zavisi od njegovih dizajnerskih karakteristika i, u određenim granicama, može se podesiti otpornikom R 1 .

Operativno pojačalo operacionog pojačala pretvara U in u struju napajanja LED D 1, koja osvjetljava fotootpornik R 2, mijenjajući tako njegov otpor. Veličina prelaznog napona je proporcionalna kvadratu ulaza U izlaz ≡ U 2 in.