Как проектировать электронные схемы

Например, они могут применяться в прецизионных усилителях для стабилизации тока смещения каскадов. В этом случае используется стабильность прямого напряжения на светодиоде. В зависимости от типа диода и тока смещения величина этого напряжения находится в диапазоне от 1,4 до 2 В с высокой степенью повторяемости в пределах одного семейства. При этом температурный дрейф напряжения сравним с аналогичной характеристикой для маломощного транзистора n-p-n типа. В сочетании со специально подобранным резистором светодиод может успешно заменить стабилитрон, используемый обычно на входе транзистора для формирования генератора тока.

МАТРИЦИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ

Матрицирование представляет собой размещение линий управляющих сигналов (битов) по строкам и столбцам, которое направлено на считывание числа состояний, равного произведению числа строк на число столбцов. Например, 8 бит, размещенные обычным способом, позволяют считывать состояния только восьми различных входов. Если же их расположить в виде матрицы из четырех строк и четырех столбцов, можно будет считывать состояния 16 входов.

Данный метод требует объединения некоторого числа битов (например, равного числу столбцов) по выходу, а не по входу. Для опроса всех состояний нужно последовательно проходить по каждому из столбцов, подавая на них сигнал логической единицы и считывая возможное изменение состояния на выходе. Данный принцип использован в клавиатуре компьютера и кнопках телефонного аппарата.

На рис. 2.51 представлен пример «телефонной клавиатуры» из 12 клавиш, размещенных по трем строкам и четырем столбцам.

Каждая клавиша находится на пересечении строки и столбца. Положения клавиш определяются по сигналам на линиях строк, где исходно установлены состояния логического нуля благодаря наличию трех резисторов, соединенных с общей точкой. Таким образом исключается риск считывания ошибочных значений без нажатия клавиш. Если нужно узнать, нажата ли клавиша 5, достаточно подать сигнал логической единицы на третий столбец и определить состояние второй строки. Если включение состоялось, на этой строке появится высокий потенциал.

Матрицирование требует соблюдения точной хронологии подачи управляющих сигналов. Эту задачу обычно выполняют специализированные ИС. В частности, в телефонии часто используется микросхема ТСМ5089. Также допустимо применение микроконтроллера в сочетании с относительно простой программой. В некоторых случаях сигналы опроса, поступающие на столбцы, можно использовать для подачи на другие периферийные устройства, например на светодиодный индикатор, который часто сопрягается с клавиатурой.

АНАЛОГОВЫЙ ОБЩИЙ

Операционные усилители иногда используют для усиления переменных сигналов в устройствах, где отсутствует отрицательное напряжение питания. Однако, чтобы усилить каждую полуволну, нужно иметь дополнительный опорный уровень напряжения (помимо общей заземленной точки и напряжения питания). Такой опорный уровень, равный Vcc/2, формируют с помощью резистивного делителя в сочетании с фильтрующим конденсатором (рис. 2.52а). Этот потенциал может использоваться несколькими усилителями. Если их число велико или же требуется высокая стабильность опорного уровня, разумно построить небольшой источник питания, стабилизированный при помощи дополнительного операционного усилителя (рис. 2.52б). Такой искусственный опорный уровень часто называют «аналоговый общий» (общая заземленная точка для цифровых элементов схемы называется «цифровой общий»).

Следует помнить о том, что усиливаемый аналоговый сигнал на самом деле наложен не на нулевой уровень, а на некоторое постоянное напряжение, которое обычно необходимо исключить перед подачей сигнала на следующий каскад. Для этой цели в конце усилительной цепи ставят разделительный конденсатор, устраняющий постоянную составляющую напряжения.

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) заключается в генерировании последовательности прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, длительность которых в каждый момент времени пропорциональна аналоговому сигналу. Принцип модуляции основан на изменении среднего значения прямоугольного напряжения в соответствии с мгновенным значением преобразуемого сигнала (рис. 2.53а).

Если взять прямоугольный сигнал в форме меандра, для которого длительность импульса равна длительности паузы, то его среднее значение составит половину амплитуды. Если длительность импульса равна трети общей длительности периода, то среднее значение напряжения также составит 0,33 от амплитуды импульсов и т. д. Подобное преобразование широко применяется для управления скоростью вращения двигателя, для синтезирования звуковых сигналов, для построения импульсного источника питания и др.

Замена аналогового напряжения импульсным обеспечивает резкое сокращение мощности, рассеиваемой в выходных каскадах, поскольку они работают в режиме переключения. В добавление к этому появляется возможность передавать сигнал сложной формы при помощи одного бита информации. Основная трудность при использовании ШИМ сигнала заключается в необходимости фильтрации восстановленного напряжения для подавления наложенного на него сигнала с частотой дискретизации.

Существует множество путей создания ШИМ сигнала, основанных на использовании специализированных ИС и схем на дискретных компонентах. В любом случае происходит сравнение исходного сигнала с опорным напряжением треугольной формы. Частота последнего должна быть максимально высокой, чтобы обеспечить достаточное разрешение устройства преобразования. Обычно периоды разделяют минимальной паузой, препятствующей наложению двух соседних импульсов при максимальном уровне входного сигнала. На рис. 2.53б показан пример схемы на операционных усилителях, реализующей широтно-импульсную модуляцию.

МОЩНЫЕ МОП ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП транзисторы) отличаются по характеристикам от биполярных транзисторов.

Как правило, они используются в качестве переключателей, хотя МОП транзисторы можно применять и в аналоговой электронике, о чем свидетельствуют многочисленные ИС усилителей на этих приборах. МОП транзистор в состоянии проводимости можно сравнить с замкнутым выключателем: он имеет остаточное сопротивление около 2 Ом для маломощных приборов и порядка 0,1 Ом для самых мощных. При высоких токах, которые способны пропускать данные компоненты, такие величины сопротивлений могут вызывать заметное падение напряжения. Например, резистор 0,1 Ом, через который проходит ток 10 А, имеет падение напряжения 1 В. При высоких рабочих напряжениях этой величиной можно пренебречь. Иначе обстоит дело при управлении вариатором скорости вращения двигателя, получающего питание от батарейки или аккумулятора напряжением 6 В (например, в радиоуправляемых моделях).

Для снижения остаточного сопротивления МОП транзисторы можно соединять параллельно. Два параллельно включенных идентичных транзистора с остаточным сопротивлением по 0,1 Ом составят один прибор с сопротивлением 0,05 Ом, который может пропускать удвоенный ток. Теоретически допустимо соединять подобным образом любое число транзисторов, но на практике обычно ограничиваются несколькими приборами (не более четырех).

В справочниках представлены мощные МОП транзисторы, которые могут коммутировать токи до 100 и даже до 150 А. Однако необходимо тщательно изучить техническую документацию, где представлены параметры транзисторов, прежде чем включать их в схему.