2.1.1. Параметры и характеристики ...
реклама
2.1.1. Параметры и характеристики аналоговых устройств Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала, к входной. В качестве таких величин могут быть использованы напряжение, сила тока и мощность (U, I, P). Им соответствуют коэффициенты: Ku Ki Kp/ Из-за наличия в схемах усилителя реактивных элементов (индуктивности L и емкости C) коэффициенты усиления по току и напряжению (KI , KU) являются комплексными и зависят от частоты f. Коэффициент усиления по мощности Kр показывает, во сколько раз активная мощность Ракт. вых, отдаваемая усилителем в нагрузку, больше активной мощности Ракт.вх., подводимой по входным зажимам. Коэффициент демпфирования — величина, определяющая способность усилителя мощности управлять движением громкоговорителя. Зависит от отношения сопротивления громкоговорителя к выходному сопротивлению усилителя. Коэффициент демпфирования (от 5 до 5000) — Демпфирование — это подавление паразитных колебаний динамической системы громкоговорителя. Коэффициент демпфирования (Damping Factor) — отношение сопротивления акустики к выходному сопротивлению усилителя. Чем выше этот показатель, тем более качественно можно воспроизвести звук. Низкое выходное сопротивление усилителя позволяет бороться с паразитными напряжениями, которые возникают в динамических головках при движении катушки в магнитном поле. Минимальным значением коэффициента демпфирования можно считать 20, хорошим — 200-400. Современные усилители высокого класса имеют значение этого параметра в 200 и выше. Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»). η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ) — величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонентов выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме спектральных компонентов входного сигнала, иногда используется нестандартизованный синоним — клирфактор (заимств. с нем.). КНИ — безразмерная величина, выражается обычно в процентах. Кроме КНИ уровень нелинейных искажений можно выразить с помощью коэффициента гармонических искажений. Номинальная выходная мощность (Pвыхном) — мощность полезного сигнала на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений, т.е.максимальная мощность, при которой не превышается заданный уровень искажений. Коэффициент гармонических искажений — величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала. Линейные искажения не нарушают амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале. При наличии в усилителе линейных искажений сигнала, амплитудная характеристика не претерпевает никаких искажений. Тем не менее, линейные искажения, разумеется, искажают усиливаемый сигнал. Эти искажения связаны с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики усилителя и нелинейности его фазочастотной характеристики. В связи с этим, линейные искажения часто называют частотными. Главным признаком линейных искажений является то, что они не вызывают появления в спектре выходного сигнала новых составляющих. Поскольку линейные искажения обычно вызывают нарушения амплитудно-частотной характеристики — как правило, их величина определяется именно способом исследования этой характеристики усилителя. Амплитудночастотная характеристика (АЧХ) — зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты или фаза коэффициента передачи. Переходная характеристика — зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления и выбросом фронта. В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным (в %) значением спада плоской вершины к моменту окончания импульса. Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) — зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты, построенная в полярной системе координат. Она объединяет в себе амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента передачи. 2.1.2. Обеспечение режима работы усилительных элементов по постоянному току Режимы работы усилительных каскадов зависят от способа включения и параметров усилительных элементов, а также от построения питающих цепей и расположении точки покоя на нагрузочной линии. В электронных усилителях, в том числе и в усилителях звуковой частоты, обозначения "класс А", "АВ", "В" и т. д. относятся к режиму работы усилительных приборов — транзисторов или ламп — в каскадах усилителя. В звукоусилительной технике принята следующая основная классификация режимов работы усилителя:Режим класса А, соответствующий колебаниям тока анода лампы (тока коллектора в случае биполярного транзистора, тока стока — в случае полевого) без отсечки, то есть без прекращения протекания тока в продолжение всего периода входного сигнала. Ток покоя, то есть постоянный ток при отсутствии входного сигнала, должен быть при этом не меньше максимальной амплитуды переменной составляющей тока.Режим класса В, когда ток через усилительный элемент идет в течение половины периода входного сигнала. В течение второй половины периода усилительный элемент полностью закрыт и ток через него не идет. Ток покоя равен нулю.Режим класса АВ, который является промежуточным между двумя предыдущими режимами: время протекания тока больше, чем полпериода, но меньше, чем полный период входного сигнала. Ток покоя, соответственно, меньше максимальной амплитуды переменной составляющей тока. Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»). η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Перед тем как приступать к проверке, необходимо зарисовать схему всех имеющихся на трансформаторе внешних соединений и перемычек, а затем удалить их. (Использование цифрового фотоаппарата для этих целей оказывается весьма плодотворным.) Несомненно, первичная обмотка должна иметь отвод от средней точки, чтобы обеспечить возможность использования трансформатора в двухтактной схеме, также на этой обмотке могут быть дополнительные отводы для обеспечения ультралинейного режима работы. Как правило, сопротивление обмотки на постоянном токе, замеряемое омметром между крайними точками обмотки, будет составлять максимальное значение сопротивления среди всех полученных значений и может колебаться от 100 до 300 Ом. Если обнаружена обмотка с подобным значением сопротивления, то, практически во всех случаях, можно считать, что идентифицированы клеммы трансформатора А1 и А2 соответствующие крайним точкам первичной обмотки. У трансформаторов высокого качества первичная обмотка наматывается симметрично, то есть сопротивления между крайними выводами А1 и А2 и средней точкой высоковольтной обмотки всегда равны, поэтому следующим шагом является определение вывода, для которого сопротивление между ним и выводами А1 и А2 было бы равным половине сопротивления между крайними точками первичной обмотки. Однако более дешевые модели трансформаторов могут оказаться изготовленными не столь тщательно, поэтому сопротивления между двумя половинами обмотки могут не оказаться абсолютно равными между собой. 2.1.3. Обратная связь и ее влияние на показатели и характеристики усилительных устройств Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме иполупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство , так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора . Структура усилителя Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала. Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др. Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания. Обратной связью называют процесс передачи сигнала из последующих цепей усилителя в предыдущие. а практике в устройствах промышленной электроники в большинстве случаев для получения необходимой полезной выходной мощности в нагрузке одного каскада недостаточно. Поэтому применяют многокаскадные усилители , собираемые из нескольких последовательно соединенных одиночных усилительных каскадов. В блок-схеме (рис. 1) в качестве датчиков, преобразующих почти любой неэлектрический сигнал во входной электрический сигнал могут использоваться различные источники ЭДС, например микрофон, антенна, фотоэлемент, фотодиод, фоторезистор, фотоэлектронный умножитель, терморезистор, тензорезистор, тахогенератор, пьезоэлектрический преобразователь, считывающая головка с магнитофонной, перфорированной или фотографической ленты, биотоки, индуктивные или емкостные датчики давления, перемещения, плотности уровня и т. д.В качестве нагрузки можно подключать в выходную цепь каскада УМ комплексные активно-реактивные нагрузки (R, RL, RС, РСL), например обмотку громкоговорителя, фидерную или абонентскую сеть, самописец, обмотку электромагнитного реле, или шагового (искателя) двигателя, или электроконтактора, обмотку возбуждения электродвигателя, различные контрольно-измерительные приборы, блоки развертки луча осциллографа или телевизора, световые индикаторы и т. д. В блоксхеме многокаскадного усилителя первый входной каскад t предназначен для согласования сопротивления датчика входного сигнала со входным сопротивлением усилителя при одновременном усилении входного сигнала по току или напряжению. В усилительных каскадах расширение полосы пропускания связано с потерей части выходной мощности в резисторах корректирующих цепей (КЦ) либо цепей обратной связи. От выходных каскадов усилителей требуется, как правило, получение максимально возможной выходной мощности в заданной полосе частот. Из теории усилителей известно, что для выполнения указанного требования необходимо реализовать ощущаемое сопротивление нагрузки для внутреннего генератора транзистора равным постоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Этого можно достигнуть, включив выходную емкость транзистора в фильтр нижних частот, используемый в качестве выходной КЦ. 2.1.4. Каскады предварительного усиления Основным требованием , предъявляемым к каскадампредварительного усиления , обычно является наибольший коэффициент усиления при заданной частотной, фазовой или переходной характеристике. Исходя из этого, в каскадах предварительного усиления используют маломощные усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления и так выбирают режим их работы, способ включения и детали схемы, чтобы получить возможно большее усиление сигнала при малом расходе питающей энергии. Усилительные каскады с общим эмиттером При положении рабочей точки в середине входных величин на проходной характеристике каскад с ОЭ имеет одно центральное устойчивое состояние, отклонения от центрального состояния и крайние состояния — неустойчивы, каскад при этом является усилителем гармонических сигналов. При смещении рабочей точки в одно из двух крайних состояний на проходной характеристике каскад с ОЭ имеет два устойчивых крайних состояния и неустойчивое центральное состояние, каскад при этом является переключательным, работает в ключевом режиме, как реле (закрыт, открыт) и применяется как инвертор в логических элементах. Как и контактные группы реле, переключательные каскады могут быть нормально закрытыми (разомкнутыми) и нормально открытыми (замкнутыми), это определяется положением рабочей точки на проходной характеристике. Истоковый и эмиттерный повторители Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало. В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель,а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности. В истоковом повторителе все выходное напряжение прикладывается к входу с противоположным знаком. Следовательно, в этом случае образуется стопроцентная отрицательная обратная связь по напряжению. По переменному току сток соединен с общей шиной и является общим для входных и выходных сигналов. 2.1.5. Оконечные каскады В оконечных каскадах, начиная с первого серийного типа усилителей, используется только двухтактная схема включения ламп. В отношении типов ламп, используемых в оконечных каскадах, можно наблюдать, как успехи в развитии советской вакуумной техники непосредственно определяли выбор ламп. Однотактные усилители в ламповых приемниках применяются при выходной мощности не более 4...5 Вт. При больших выходных мощностях, как правило, используются двухтактные усилители. Наиболее простая схема оконечного каскада - схема с непосредственным включением нагрузки. В большинстве широко распространенных бестрансформаторных усилителей мощности звуковой частоты выход предварительного каскада , работающего в режиме класса А , не симметричен по отношению к входу оконечного двухтактного каскада , симметричного по своей природе. Это обстоятельство не позволяет обеспечить оптимальное согласование каскадов усилителя, что приводит к возникновению дополнительных нелинейных искажений.В предлагаемом усилителе мощности колебаний звуковой частоты, схема которого показана на рис. 1, предварительный каскад , как и оконечный , выполнен двухтактным . Использование единой принципиальной основы для построения всех каскадов усилителя создает условия для оптимального согласования каскадов и, как следствие этого, для снижения нелинейных искажений усилителя. Кроме того, общеизвестно, что двухтактные каскады обладают такими немаловажными преимуществами, как пониженная чувствительность к пульсациям питающего напряжения и меньший уровень четных гармоник. Симметричность всех каскадов усилителя позволила без принятия специальных мер устранить щелчки, которые слышны в динамических головках громкоговорителя при включении и отключении питания. Двухтактный каскад усиления мощности. Свойства двухтактного каскада. Данный тип каскадов является основным для каскадов усиления мощности. Разновидности двухтактного каскада – трансформаторный и безтрансформаторный. Особенности: 1) Каскад состоит из двух симметричных плеч;2) Оба плеча возбуждаются противофазно. вухтактные каскады обладают следующими свойствами:1) В двухтактном каскаде отсутствует постоянный ток подмагничивания трансформатора, поэтому магнитная проницаемость сердечника трансформатора возрастает, поэтому при заданной идуктивности первичной обмотки можно уменьшить габариты трансформатора.2) В безтрансформаторной схеме через сопротивление нагрузки не протекает постоянный ток, нагрузку можно подключать через разделительный конденсатор.3) В разностном токе отсутствуют четные гармоники. хемы трансформаторных двухтактных каскадов. Используются в основном схемы с общим эмиттером и общей базой. 1) Классическая схема с общим эмиттером 2) Схема с дифференциальным каскадом. Вместо сопротивления Rэ можно включить генератор стабильного тока. Транзисторы двухтактного каскада включены по схеме с общим эмиттером. Данная схема обладает минимальной мощностью возбуждения (повышенным коэффициентом усиления), но также бльшими нелинейными искажениями по сравнению со схемой, где транзисторы включены с общей базой. 3) Схема с общей базой. Сопротивления R1, R2- делитель цепи смещения. Схема с общей базой требует на входе дополнительной мощности для возбуждения, поэтому предоконечный каскад должен также быть усилителем мощности. На выходе каскада получаем большую мощность по сравнению со схемой с общим эмиттером при меньших нелинейных искажениях, так как во входной цепи присутствует последовательная отрицательная обратная связь по току. Схемы с общим коллектором в трансформаторном варианте не рассматриваются. Безтрансформаторные каскады обладают меньшими массогабаритными параметрами, в них отсутствуют линейные и нелинейные искажения за счет трансформатора. 2.1.6. Усилители постоянного тока Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, терминУПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще. Причины возникновения дрейфа:1) Температурный дрейф, вызванный температурной нестабильностью режима покоя в каскадах. Наиболее существенный вклад в дрейф усилителя вносят первые каскады, так как их дрейф усиливается последующими каскадами. 2) Старение элементов схемы. С течением времени изменяются как параметры самих транзисторов, так и остальных элементов каскада. 3) Нестабильность источников питания. Колебания напряжения источника питания приводит к колебаниям напряжения покоя и положения рабочей точки.При возникновении дрейфа нуля происходит смещение амплитудной характеристики усилителя. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ДРЕЙФА НУЛЯ 1) Термостатирование. Схема помещается в термостат, где поддерживается постоянная температура. 2) Температурная компенсация. Применяются все способы температурной компенсации нестабильности рабочего режима. 3) Использование ООС. 4) Применение специальных параллельнобалансных каскадов, имеющих малый дрейф нуля. Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из основных каскадов операционного усилителя. Дифференциальный каскад (ДК) представляет собой мостовую схему, в плечах которой включены идентичные элементы. В аналоговых интегральных микросхемах вследствие того, что все элементы создаются в едином технологическом процессе, практически обеспечивается идентичность резисторов и транзисторов. ДК питается от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, что позволяет подавать сигналы непосредственно на базы транзисторов. Если входы транзисторов заземлены, то токи транзисторов одинаковы, и вследствие идентичности резисторов Rk1 и Rk2 напряжение на дифференциальном выходе Uвых.д меду колекторами будет равно нулю. 2.1.7. Операционные усилители и их применение Операционным (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления с двумя высокоомными входами и одним низкоомным выходом, предназначенный для построения разнообразных узлов электронной аппаратуры. Первые ОУ появились до разработки интегральных микросхем. Они были выполнены на электронных лампах и впервые использовались в узлах аналоговых ЭВМ, реализующих различные математические операции: суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и др. В настоящее время на основе ОУ выполняют более 200 функциональных узлов электронной аппаратуры. Для ОУ общего применения В ряде случаев к параметрам ОУ не предъявляется особых требований. Тогда на первое место выходят экономические соображения. Как известно, цены на микросхемы в значительной степени зависят от массовости их выпуска. Применяя стандартные микросхемы, можно быть уверенным в их дешевизне и доступности. Мы рекомендуем следующие типы ОУ общего назначения: одиночные - uA741, сдвоенные - LM358 и счетверенные - LM324. Эти усилители обладают сбалансированными параметрами и чрезвычайной распространенностью. В каждом из вышерассмотренных классов ОУ тоже есть определенные <лидеры> с экономической точки зрения. Так, в классе прецизионных ОУ , самым доступным является OP07; среди ОУ с высоким входным сопротивлением - серия TL071/2/4 - TL081/2/4; из микромощных можно рекомендовать TL061/2/4; из аудио - NE5532/34; недорогими быстродействующими (до определенной степени) можно считать OP27/37 или LF357. Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладаютстабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ. Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ. Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах. Инвертирующий усилитель Инвертирует и усиливает напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную константу). Третий резистор с сопротивлением, равным (сопротивление параллельно соединенных резисторов Rf и Rin), устанавливаемый (при необходимости) между неинвертирующим входом и землей, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещенияЕсли Rin = 0, то схема реализует собой линейный преобразователь ток-напряжение. Неинвертирующий усилитель Усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы) Третий резистор с сопротивлением, равным (сопротивление параллельно соединенных резисторов R1 и R2), устанавливаемый (при необходимости) между точкой подачи входного сигнала и неинвертирующим входом, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения. RC-фильтры В выпрямителях малой мощности в некоторых случаях применяют фильтры,состоящие из активного сопротивления и ёмкости.В таком фильтре относительно велико падение напряжения и потери энергии на резисторе R, но габариты и стоимость такого фильтра меньше,чем индуктивно-емкостного. Значение сопротивления фильтра R определяется исходя из оптимальной величины его коэффициента полезного действия.Оптимальное значение КПД лежит в пределах от 0.6 до 0.8. Расчёт П-образного активноемкостного фильтра производится так,как и в случае П-образного LC - фильтра ,путём разделения этого фильтра на емкостной и Г-образный RC-фильтры. .1.8. Электронные ключевые схемы Статические характеристики Под статическими характеристиками чаще всего подразумеваются электромеханическая и механическая характеристика. Динамическая характеристика Динамическая характеристика электропривода — это зависимость между мгновенными значениями двух координат электропривода для одного и того же момента времени переходного режима работы. Барье́р Шо́ттки (или Шо́тки,— потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом, равный разности работ выхода (энергий, затрачиваемых на удаление электрона из твёрдого тела или жидкости в вакуум) металла и полупроводника. Барьер Шоттки обладает выпрямляющими свойствами. Ток через него при наложении внешнего электрического поля создается почти целиком основными носителями заряда. Контакты металл — полупроводник с барьером Шотки широко используются в сверхвысокочастотных детекторах, транзисторах и фотодиодах. Транзисторные ключи выполняются на биполярных или полевых транзисторах. В свою очередь ключи на полевых транзисторах делятся на МДП-ключи и ключи на полевых транзисторах с управляющим р—га-переходом. Ключи на биполярных транзисторах делятся на насыщенные и ненасыщенные. При анализе транзисторных ключей рассматривают два режима — статический и динамический. В статическом режиме анализируется закрытое и открытое состояние ключа. В закрытом состоянии ключа на его входе низкий уровень напряжения (сигнал логического нуля), при котором оба перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки). При этом коллекторный ток определяется только тепловым током. Ключи на комплиментарных транзисторах Усилитель полностью выполнен на комплементарных транзисторах. Он работает в режиме АВ. Примененные схемные решения позволили до минимума снизить нелинейные искажения. Основная особенность усилителя-симметричность плеч для обеих полуволн усиливаемого сигнала. Это дало возможность снизить нелинейные искажения усилителя без введения ООС. Другая особенность со. стоит в схеме выходного каскада, позволяющей усиливать сигнал не только по току, но и по напряжению. При этом облегчился режим работы транзиеторов предварительного каскада, поскольку требуемая амплитуда сигнала существенно меньше, чем для обычного выходного каскада. Линейные и нелинейные нагрузки. Если мы подключим к источнику напряжения постоянного тока резистор и будем менять величину напряжения, ток, протекающий в цепи, будет меняться пропорционально напряжению. Если мы подключим к источнику синусоидального переменного напряжения (например к сети или к ИБП с синусоидальным выходным напряжением) резистор, мгновенное значение тока в цепи будет пропорционально мгновенному значению напряжения. Следовательно ток в цепи будет синусоидальным, причем синфазным напряжению (т.е. максимальные значения тока будут наблюдаться точно в те же моменты вермени, что и максимальные значения напряжения. Если мы подключим к источнику синусоидального напряжения емкость, индуктивность или любое сочетание их с резисторами, ток в цепи по-прежнему будет синусоидальным. Но в этом случае, максимумы тока будут опережать максимумы напряжения (как на рисунке) или отставать от них. В зависимости от преобладания в цепи емкостей или индуктивностей, такую нагрузку называют екостной или индуктивной. А в совокупности все нагрузки (потребители электроэнергии) с синусоидальным током потребления (при синусоидальном напряжении) называются линейными. Импульсный блок питания (например компьютера) является нелинейной нагрузкой . Если компьютер подключить к источнику синусоидального напряжения, то зависимость тока, потребляемого компьютером, от времени будет иметь вид. На рисунке хорошо видно, что компьютер потребляет ток только в моменты, когда напряжение близко к своему максимуму, и не потребляет ток при низком напряжении. Форму тока, потребляемого нелинейной нагрузкой можно охарактеризовать теми же параметрами, что и любой колебательный процесс. 2.1.9. Цифровые логические устройства Алгебра логики (булева алгебра) – это раздел математики, возникший в XIX веке благодаря усилиям английского математика Дж. Буля. Поначалу булева алгебра не имела никакого практического значения. Однако уже в XX веке ее положения нашли применение в описании функционирования и разработке различных электронных схем. Законы и аппарат алгебры логики стал использоваться при проектировании различных частей компьютеров (память, процессор). Хотя это не единственная сфера применения данной науки.Во-первых, она изучает методы установления истинности или ложности сложных логических высказываний с помощью алгебраических методов. Во-вторых, булева алгебра делает это таким образом, что сложное логическое высказывание описывается функцией, результатом вычисления которой может быть либо истина, либо ложь (1, либо 0). При этом аргументы функции (простые высказывания) также могут иметь только два значения: 0, либо 1. Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время. Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ), — технология построения цифровых схем на основе биполярных транзисторов, диодов и резисторов. Своё название технология получила благодаря реализации логических функций (например, 2И) с помощью диодных цепей, а усиления и инверсии сигнала — с помощью транзистора. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL) — разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала. Простейший базовый элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ, в принципе повторяет структуру ДТЛ микросхем и в то же время за счёт использования многоэмиттерного транзистора, объединяет свойства диода и транзисторного усилителя что позволяет увеличить быстродействие и энергопотребление, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхемы. ТТЛ получила широкое распространение в компьютерах, электронных музыкальных инструментах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре и автоматике (КИПиА). Благодаря широкому распространению ТТЛ входные и выходные цепи электронного оборудования часто выполняются совместимыми по электрическим характеристикам с ТТЛ. Максимальное напряжение в схемах с ТТЛ может достигать 24В, однако это приводит к большому уровню паразитного сигнала. Достаточно малый уровень паразитного сигнала при сохранении достаточной эффективности достигается при напряжении 5В, поэтому данная цифра и вошла в технический регламент ТТЛ. Эми́ттерно-свя́занная ло́гика (ЭСЛ, ECL) — семейство цифровых интегральных микросхем на основе дифференциальных транзисторных каскадов. ЭСЛ является самой быстродействующей из всех типов логики, построенной на биполярных транзисторах. Это объясняется тем, чтотранзисторы в ЭСЛ работают в линейном режиме, не переходя в режим насыщения, выход из которого замедлен. Низкие значения логических перепадов в ЭСЛлогике способствуют снижению влияния на быстродействие паразитных ёмкостей. Основная деталь ЭСЛ-логики — схема потенциального сравнения, собранная не на диодах (как в ДТЛ), а на транзисторах. Схема представляет собой транзисторы, соединённые эмиттерами и подключенные к корпусу (или питанию) через резистор. При этом транзистор, у которого напряжение на базе выше, пропускает через себя основной ток. Как правило, один транзистор в схеме сравнения подключен к опорному уровню, равному напряжению логического порога, а остальные транзисторы являются входами. Выходные цепи схемы сравнения поступают на усилительные транзисторы, а с них — на выходные эмиттерные повторители. Интегрально-инжекционная логика (ИИЛ, И2Л, И3Л, I2L) — технология построения логических элементов на биполярных транзисторах. Интегрально-инжекционная логика появилась в 1971 г. Основными параметрами цифровых интегральных схем являются их быстродействие, потребляемая мощность, коэффициент объединения по входу, коэффициент разветвления по выходу, устойчивость против внешних воздействий, степень интеграции, надежность. Быстродействие ИС. Быстродействие ИС, как правило, определяется средней задержкой сигнала tcp, равной среднему арифметическому задержек включения и выключения одного инвертора. При определении средней задержки в качестве границ временных интервалов обычно берут точки на фронтах, соответствующие половине перепада напряжения, или точки, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 этого перепада. По средней задержке логические ИС делятся на сверхбыстродействующие (tcp <5 нс), быстродействующие (tcp =5-10 нс), среднего быстродействия (tcp = 10-100 нс), низкого быстродействия (tcp >100 нс). Схемы ТТЛ-типа относятся к схемам среднего быстродействия. Для них типична средняя задержка 5-50 нс. Наибольшее быстродействие имеют транзисторные логические схемы с эмиттерными связями. Для них средняя задержка составляет 1-10 нс. Потребляемая мощность. Потребляемая мощность логических ИС обычно зависит от того, какие сигналы поданы на входы этой ИС. Поэтому потребляемую мощность принято оценивать средней мощностью ( Р ср ), потребляемой типовым логическим элементом во включенном и выключенном состояниях. Как правило, чем выше быстродействие схем, тем больше средняя потребляемая ими мощность. Для схем ЭСЛ Р ср составляет 20 - 80 мВт, для схем ТТЛ это 2-40 мВт, для КМОП 1-100 мкВт. В процессе переключения логических ИС средняя потребляемая мощность выше средней статической мощности вследствие всплесков тока в переходных режимах. Особенно это заметно в ИС с малым потреблением. Поэтому для них обычно указывается потребляемая мощность в динамическом режиме при определенной тактовой частоте. Поскольку снижение средней задержки логических схем сопровождается ростом потребляемой ими мощности, то находит применение параметр , называемый работой переключения (или добротностью), равный произведению средней мощности, потребляемой ИС, и средней задержки. Для первых поколений ИС этот показатель лежал в диапазоне 50-100 пДж. Последующие разработки позволили снизить его до 0,5-5 пДж. Помехоустойчивость. Помехоустойчивость логических ИС принято характеризовать параметром , называемым статической помехоустойчивостью. Статическая помехоустойчивость - это наименьшее постоянное напряжение, которое, будучи добавлено (при самом неблагоприятном сочетании обстоятельств) к полезному входному сигналу, вызовет ошибку по всей последующей цепи логических схем . Статическая помеха наблюдается в тех случаях, когда относительно велико сопротивление проводников, подводящих к ИС напряжение питания. Падения напряжения на "земляной" шине, разные для разных ИС, будут суммироваться со входными сигналами и могут приводить к сбоям. Для исключения подобных ситуаций необходимо внимательно относиться к расположению проводников, подводящих напряжения питания, и увеличивать по возможности их сечение. Что касается импульсной помехоустойчивости, то для того, чтобы возник сбой, импульсная помеха, как правило, должна быть больше, чем статическая. Поэтому при одинаковой статической помехоустойчивости схемы с меньшей средней задержкой сильнее подвержены действию импульсных помех. Наименьшую помехоустойчивость имеют схемы ЭСЛ, для них статическая помехоустойчивость U ст составляет 0,1-0,3 В. В схемах ТТЛ помехоустойчивость выше благодаря наличию смещающих р-n-переходов на входах инверторов. Допустимая статическая помеха для этих схем равна 0,4-1,1 В. Для логических схем на КМОП-транзисторах величина U стможет достигать 2-3 В, что объясняется большими логическими перепадами напряжения в этих схемах. 2.1.10. Триггеры Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время. Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде. Классификация Триггеры подразделяются на две большие группы — динамические и статические. Названы они так по способу представления выходной информации. Динамический триггер представляет собой управляемый генератор, одно из состояний которого (единичное) характеризуется наличием на выходе непрерывной последовательности импульсов определённой частоты, а другое (нулевое) — отсутствием выходных импульсов. Смена состояний производится внешними импульсами. Динамические триггеры в настоящее время используются редко. К статическим триггерам относят устройства, каждое состояние которых характеризуется неизменными уровнями выходного напряжения (выходными потенциалами): высоким — близким к напряжению питания и низким — около нуля. Статические триггеры по способу представления выходной информации часто называют потенциальными. Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала(ов), с некоторой задержкой равной сумме задержек на элементах, составляющих данный триггер. Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим и с динамическим управлением по входу синхронизации С. Триггеры со статическим управлением воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход). Триггеры с динамическим управлением воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход). Также встречается название «триггер управляемый фронтом». Одноступенчатые триггеры (latch, защёлки) состоят из одной ступени представляющей собой элемент памяти и схему управления, бывают, как правило, со статическим управлением. Одноступенчатые триггеры с динамическим управлением применяются в первой ступени двухступенчатых триггеров с динамическим управлением. Одноступенчатый триггер на УГО обозначают одной буквой - Т. Двухступенчатые триггеры (flip-flop, шлёпающие) делятся на триггеры со статическим управлением и триггеры с динамическим управлением. При одном уровне сигнала на входе С информация, в соответствии с логикой работы триггера, записывается в первую ступень (вторая ступень заблокирована для записи). При другом уровне этого сигнала происходит копирование состояния первой ступени во вторую (первая ступень заблокирована для записи), выходной сигнал появляется в этот момент времени с задержкой равной задержке срабатывания ступени. Обычно двухступенчатые триггеры применяются в схемах, где логические функции входов триггера зависят от его выходов, во избежание временны́х гонок. Двухступенчатый триггер на УГО обозначают двумя буквами - ТТ. Триггеры со сложной логикой бывают также одно- и двухступенчатые. В этих триггерах наряду с синхронными сигналами присутствуют и асинхронные. Такой триггер изображён на рис. 1, верхний (S) и нижний (R) входные сигналы являются асинхронными. RS-триггер или SR-триггер — триггер, который сохраняет своё предыдущее состояние при нулевых входах и меняет своё выходное состояние при подаче на один из его входов единицы. При подаче единицы на вход S (от англ. Set — установить) выходное состояние становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход R (от англ. Reset — сбросить) выходное состояние становится равным логическому нулю. Состояние, при котором на оба входа R и S одновременно поданы логические единицы, в простейших реализациях является запрещённым (так как вводит схему в режим генерации), в более сложных реализациях RS-триггер переходит в третье состояние QQ=00. Одновременное снятие двух «1» практически невозможно. При снятии одной из «1» RS-триггер переходит в состояние, определяемое оставшейся «1». Таким образом RS-триггер имеет три состояния, из которых два устойчивых (при снятии сигналов управления RS-триггер остаётся в установленном состоянии) и одно неустойчивое (при снятии сигналов управления RS-триггер не остаётся в установленном состоянии, а переходит в одно из двух устойчивых состояний). D-триггер — запоминает состояние входа и выдаёт его на выход. D-триггеры имеют, как минимум, два входа: информационный D и синхронизации С. После прихода активного фронта импульса синхронизации на вход С D-триггер открывается. Сохранение информации в D-триггерах происходит после спада импульса синхронизации С. Так как информация на выходе остаётся неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называют также триггером с запоминанием информации или триггером-защёлкой. Рассуждая чисто теоретически, парафазный (двухфазный) D-триггер можно образовать из любых RS- или JK-триггеров, если на их входы одновременно подавать взаимно инверсные сигналы.D-триггер в основном используется для реализации защёлки. Так, например, для снятия 32 бит информации с параллельной шины, берут 32 D-триггера и объединяют их входы синхронизации для управления записью информации в защёлку, а 32 D входа подсоединяют к шине. В одноступенчатых D-триггерах во время прозрачности все изменения информации на входе D передаются на выход Q. Там, где это нежелательно, нужно применять двухступенчатые (двухтактные, Master-Slave, MS) D-триггеры. Синхронный Т-триггер, при единице на входе Т, по каждому такту на входе С изменяет своё логическое состояние на противоположное, и не изменяет выходное состояние при нуле на входе T. Т-триггер можно построить на JK-триггере, на двухступенчатом (Master-Slave, MS) D-триггере и на двух одноступенчатых D-триггерах и инверторе. Как можно видеть в таблице истинности JK-триггера, он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединяя входы J и К. В двухступенчатом (Master-Slave, MS) D-триггере инверсный выход Q соединяется со входом D, а на вход С подаются счётные импульсы. В результате триггер при каждом счётном импульсе запоминает значение Q, то есть будет переключаться в противоположное состояние. JK-триггер работает так же как RS-триггер, с одним лишь исключением: при подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное. Вход J (от англ. Jump — прыжок) аналогичен входу S у RS-триггера. Вход K (от англ. Kill — убить) аналогичен входу R у RS-триггера. При подаче единицы на вход J и нуля на вход K выходное состояние триггера становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход K и нуля на вход J выходное состояние триггера становится равным логическому нулю. JK-триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещённых состояний на основных входах, однако это никак не помогает при нарушении правил разработки логических схем. На практике применяются только синхронные JK-триггеры, то есть состояния основных входов J и K учитываются только в момент тактирования, например по положительному фронту импульса на входе синхронизации. 2.1.11.Мультивибраторы релаксационный генератор электрических колебаний прямоугольного типа с крутыми фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1919 году. Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущий синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее. Отнесение мультивибратора к классу автогенераторов оправдано лишь при автоколебательном режиме его работы. В ждущем режиме мультивибратор вырабатывает импульсы только тогда, когда на его вход поступают специальные запускающие сигналы. Режим синхронизации отличается от автоколебательного лишь тем, что в этом режиме с помощью внешнего управляющего (синхронизирующего) напряжения можно изменять частоту генерируемых колебаний. Симметричным мультивибратор называют при попарном равенстве сопротивлений R1 и R4, R2 и R3, ёмкостей C1 и C2, а также параметров транзисторов Q1 и Q2. Симметричный мультивибратор генерирует сигнал «меандрового» типа, то есть сигнал, в периоде которого длительность импульса и длительность паузы одинакова. Симметричный мультивибратор по «классической» схеме (см. рисунок) широко используется для учебных и демонстрационных целей в качестве простейшего по устройству генератора электрических колебаний. Данная схема обладает понятностью и очевидностью, а также не требует для реализации неудобных в расчётах и сборке индуктивностей и трансформаторов. Практическое применение мультивибраторов на двух транзисторах ограничено сверху частотами в единицы мегагерц. На более высоких частотах оба транзистора с большой вероятностью запираются и для восстановления работы устройство надо отключать от источника питания и запускать заново, что во многих случаях неприемлемо. Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущий синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее. Ждущий мультивибратор Такой мультивибратор генерирует импульсы тока (или напряжения) при подаче на его вход запускающих сигналов от другого источника, например от автоколебательного мультивибратора. Чтобы автоколебательный мультивибратор, опыты с которым вы уже проводили в этом уроке, превратить в мультивибратор ждущий, надо сделать следующее: конденсатор С2 удалить, а вместо него между коллектором транзистора V2 и базой транзистора V1 включить резистор сопротивлением 10 - 15 кОм; между базой транзистора V1 и заземленным проводником включить последовательно соединенные элемент 332 (G1 или другой источник постоянного напряжения) и резистор сопротивлением 4,7 - 5,1 кОм (R5), но так, чтобы с базой соединялся (через R5) положительный полюс элемента; к базовой цепи транзистора V1 поключить конденсатор емкостью 1 - 5 тыс. пФ, второй вывод которого будет выполнять роль контакта входного управляющего сигнала. Исходное состояние транзистора V1 такого мультивибратора - закрытое, транзистора V2 открытое. 2.1.12. Цифроаналоговые устройства Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток,напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию. Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (англ. PCM, pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками. Коммутаторы (мультиплексоры) аналоговых сигналов предназначены для приёма аналоговых сигналов от нескольких источников и коммутации их на один выход. Коммутаторы аналоговых сигналов расширяют функциональные возможности модулей аналогового ввода. С помощью коммутатора модуль аналогового ввода по одному каналу может принимать сигналы от нескольких датчиков. Переключение каналов коммутатора осуществляется управляющими дискретными сигналами, поступающими от модуля аналогового ввода или от модуля дискретного вывода по соединительному кабелю. Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН) применяют для развертки электронного луча в электроннолучевых трубках телевизионных, осциллографических и радиолокационных устройств, а также в схемах сравнения для задержки импульсов во временя и т. п. ГЛИН могут работать в режиме самовозбуждения и в ждущем режиме, когда период повторения пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами. Режим самовозбуждения применяют, например, для получения непрерывной развертки в осциллографах, а ждущий режим - для получения ждущей развертки. Напряжением пилообразной формы называется напряжение, которое в течение определенного времени нарастает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем быстро возвращается к исходному уровню. Устройства выборки – хранения При сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в некоторый момент времени. Некоторые типы аналогово-цифровых преобразователей, например, последовательного приближения, могут давать совершенно непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются выбросы выходного напряжения. Для устранения этого явления на время установления также следует зафиксировать выходной сигнал ЦАП. Устройства выборки - хранения (УВХ) (слежения - хранения), выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки (слежения) повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении режима на хранение сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки. 2.1.13. Аналого-цифровые устройства Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор. Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator — сравнивающее устройство) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе. Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов: Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В ОУ, охваченномобратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами. Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой). При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером). При подаче эталонного напряжения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором). Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор. Ниже перечислены основные способы построения электронных АЦП: АЦП прямого преобразования: Параллельные АЦП прямого преобразования, полностью параллельные АЦП, содержат по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдают на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают либо прямо в параллельный регистр, тогда обработка кода осуществляется программно, либо на аппаратный логический шифратор, аппаратно генерирующий нужный цифровой код в зависимости от кода на входе шифратора. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре. Частота дискретизации параллельных АЦП, в общем случае, зависит от аппаратных характеристик аналоговых и логических элементов, а также от требуемой частоты выборки значений. в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени. Конвейерная работа АЦП, применяется в параллельнопоследовательных АЦП прямого преобразования, в отличие от обычного режима работы параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, в котором данные передаются после полного преобразования, при конвейерной работе данные частичных преобразований передаются по мере готовности до окончания полного преобразования. АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N — разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР и заканчивая МЗР. Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0. Таким образом, определение итогового цифрового значения напоминает двоичный поиск. АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии устройства выборки хранения погрешность будет значительно больше (представьте, что после оцифровки самого большого разряда сигнал начал меняться). АЦП дифференциального кодирования содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. АЦП сравнения с пилообразным сигналом АЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП, также к ним относятся АЦП последовательного счета) содержат генератор пилообразного напряжения (в АЦП последовательного счета генератор ступенчатого напряжения, состоящий из счетчика и ЦАП), компаратор и счётчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает от нижнего до верхнего уровня, затем быстро спадает до нижнего уровня. В момент начала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счётчика и вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких других преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования. АЦП с уравновешиванием заряда (к ним относятся АЦП с двухстадийным интегрированием, АЦП с многостадийным интегрированием и некоторые другие) содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа (двухстадийное интегрирование). На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN, где T — период тактового генератора, N — константа (большое целое число, определяет время накопления заряда). АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов. Сигнал с датчика проходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота. Таким образом на вход непосредственно логической схемы поступает сигнал, характеристикой которого является лишь частота импульсов. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течение времени выборки, таким образом, выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равную количеству импульсов, пришедших на преобразователь за время выборки. Такие АЦП довольно медленны и не очень точны, но тем не менее очень просты в исполнении и поэтому имеют низкую стоимость.
