Знакомство с аналоговыми микросхемами

Мы берем на хранение чужие мысли и знания, только и всего. Нужно, однако, сделать их собственными.

Мишель де Монтенъ

C простыми усилителями электрических сигналов, построенными на одном-двух транзисторах и некоторых микросхемах, вы уже успели познакомиться и теоретически, и практически по первой книге. Для того чтобы улучшить параметры усилителей сигналов, пришлось схемы усложнять, вводить многокаскадные решения, совмещать разные типы схем, оптимизировать их. В процессе разработок, — а произошло это в конце 50-х гг. XX в. — выяснилось, что возможно заключить несколько транзисторов в отдельный корпус, сделать выводы от нужных точек схемы и предоставить потребителю уже почти готовое устройство, для работы которого достаточно подключать небольшое число дополнительных элементов. Так появились интегральные микросхемы. Их внедрение позволило значительно уменьшить размеры конструкций и снизить их стоимость. Ведь микросхема часто стоит намного дешевле, чем та же самая схема, собранная из дискретных компонентов. Но микросхема — это не простой перенос дискретных элементов в один корпус. Технологически выполнять такое сложно и невыгодно. Во всяком случае времена, когда так делали, уже давно прошли. Обычно на одном кристалле изготавливают специально оптимизированные схемы, в которых можно обойтись без внутренних конденсаторов и с минимальным числом резисторов. Сами резисторы делают как источники стабильного тока на полупроводниках.

Операционные усилители

Сегодня в технике усиления и преобразования сигналов широко используется разновидность универсальных аналоговых микросхем — операционный усилитель (ОУ). Этот вид микросхемы появился в 60-х гг. XX в. и первоначально предназначался для создания аналоговых электронно-вычислительных машин, устройств обработки радиолокационной и гидроакустической информации и других автоматических высокоточных устройств. На основе операционного усилителя были разработаны типовые схемы, благодаря применению которых можно осуществлять простейшие математические операции: сложение, вычитание, умножение, интегрирование, логарифмирование. Современная элементная база позволяет получать точность преобразований до 0,1 %.

Наращивая схемы из таких блоков, как из детского конструктора, удавалось обрабатывать сложные сигналы, преобразовывать информацию, заключенную в них. Ныне любые сигналы подвергают математической обработке уже другими методами, о которых рассказывает глава «Логика для цифрового мира».

А операционные усилители, по сути представляющие собой усилители постоянного тока, до сих пор широко выпускаются, но используются в другом качестве. На их основе можно создавать широкополосные усилители, фильтры, генераторы колебаний разной формы, элементы стабилизации, измерительные усилители и еще множество других интересных устройств. Мы не сможем рассказать о всех применениях ОУ, но основные схемотехнические идеи приведем обязательно.

Классический операционный усилитель изображен на рис. 13.8. Он имеет два входа — прямой (обозначается знаком «+») и инверсный («—» или кружочек на входной линии), выход, выводы питания, — у некоторых есть еще выводы подключения частотной коррекции (FC) и балансировки нуля (NC). Номера выводов корпуса ставятся за пределами основного контура квадрата (треугольника), а внутри квадрата имеется условный знак в виде треугольничка, который и указывает на то, что это микросхема для усиления сигналов (на основе ОУ изготавливают и другие микросхемы, например, компараторы — там условный знак будет другим).

Рис. 13.8. Типовой операционный усилитель (так его часто показывают на электрических схемах, но встречаются и другие обозначения)

На сложных схемах, чтобы не загромождать ее лишними линиями, затрудняющими чтение чертежа, иногда не указывают около корпуса питающие цепи (это бывает обозначено текстом или в виде таблицы).

Внутренняя структура такого усилителя построена на основе дифференциального каскада с несимметричной нагрузкой, подробно рассмотренного в книге 1. Поэтому ОУ и имеет два разных входа. Подав сигнал на прямой вход, мы получим совпадение фаз входного и выходного сигналов; инвертирующий вход «повернет» фазу на 180 градусов (поэтому он инвертирующим и называется).

Операционные усилители обладают высоким коэффициентом усиления напряжения — 10⁴…10⁶ раз — и, если мы подадим на любой из его входов синусоидальный сигнал, на выходе получатся прямоугольные импульсы. Чтобы микросхема работала в линейном режиме, к тому же усиливала входной сигнал не больше и не меньше, чем нам требуется, вводят отрицательную обратную связь. Как это делается, мы расскажем чуть позже.

Во многих «операционниках» имеются специальные выводы для подключения балансировочного резистора (R_бал,), который может задавать постоянный сигнал на выходе микросхемы.

Зачем? Любой реальный ОУ имеет небольшое смещение нуля на входе (единицы или десятки милливольт), и, усилившись, это смещение может превратиться на выходе в значительную величину. Например, для популярного ОУ типа КР544УД2А напряжение смещения составляет 30 мВ, а коэффициент усиления по напряжению — 2·10⁴ (без ООС). На выходе теоретически мы получим постоянную составляющую, равную 60 В, а практически она будет ограничена напряжением питания 15 В. ОУ без обратной связи используются реже, чем ОУ, охваченные ООС но все равно, даже при типичных коэффициентах усиления 10…1000 смещение сигнала на выходе может был довольно большим. Чтобы устранить его, вращают переменный балансировочный резистор.

Рис. 13.9. Принцип работы операционного усилителя

Теперь о частотных свойствах операционных усилителей. ОУ без обратной связи не снижает амплитуду сигнала на выходе только при очень небольших значениях частоты. Затем, — с повышением частоты, усиление начинает падать из-за частотных свойств внутренних транзисторов. На определенной частоте f₁, называемой граничной частотой усиления, сигнал перестает усиливаться по напряжению, т. е. К_U = 1 (см. рис. 13.10), — ее еще называют частотой единичного усиления (именно об этом говорит индекс 1).

Рис. 13.10. Определение частоты граничного усиления

Равномерной полосы усиления добиваются за счет снижения коэффициента усиления (введение обратной связи). Частота f₁ нормируется в справочниках.

Операционные усилители не могут работать без частотной коррекции. Она бывает внешней — тогда на корпусе предусматриваются выводы для подключения конденсаторов небольшой емкости или RC цепей. Современные усилители все чаще используют встроенную коррекцию, когда она оптимизируется на стадии изготовления и встраивается в «операционник». Зачем нужна частотная коррекция? Любой операционный усилитель без частотной коррекции обладает сложной частотной характеристикой и легко может стать генератором колебаний, «завестись». Самовозбуждение усилителей — очень неприятная вещь, борьбе с которой посвящена не одна сотня книг. Только представьте, что ваш УНЧ не слушается регулятора громкости и непрерывно гудит…

Частотная коррекция (рис. 13.11) повышает устойчивость ОУ к возбуждению.

Рис. 13.11. Частотные характеристики нескорректированного (а) и скорректированного (б)

Еще одна интересная характеристика ОУ — скорость нарастания выходного сигнала (V_u). Она указывается в В/мкс, а измеряют ее по форме фронта выходного сигнала, как показано на рис. 13.12.

Рис. 13.12. Определение скорости нарастания выходного сигнала ОУ

На вход усилителя подают так называемый «скачок» — мгновенное изменение уровня сигнала. На выходе сигнал не сразу вырастет до своего максимального уровня, а станет «набирать» высоту постепенно. Чем быстрее «наберет» сигнал свой уровень, тем более быстродействующим считается ОУ.

Из традиционных параметров укажем входное и выходное сопротивления ОУ, а также максимальный входной сигнал. Есть еще один очень важный параметр, называемый минимальным сопротивлением нагрузки. Снижение сопротивления ниже этого уровня может привести к перегрузке ОУ и даже к выходу его из строя (если, конечно, в нем не предусмотрена защита на такой случай).

В зависимости от значения параметров ОУ разделяются на следующие виды:

• общего применения;

• быстродействующие;

• прецизионные (с высокой стабильностью характеристик);

• микромощные (с низким энергопотреблением);

• программируемые (у этих ОУ один или несколько параметров могут управляться специальным внешним сигналом).

В радиолюбительской практике используются ОУ серий К140, КР544, КР574, К1401, К1407, К538, К548, К157 и многие другие, в том числе и зарубежного производства.

Большинство ОУ питается двухполярным напряжением ±15 В, но может питаться меньшим и однополярным. Более того, «операционники», рассчитанные на двухполярное напряжение, могут быть включены на однополярное.

Успешное функционирование электронной схемы в значительной степени зависит от того, насколько хорошо обеспечено питание ее каскадов. Допустим, мы изготовили хороший источник питания, например из опубликованных в первой книге. Но одного только источника мало! Такой ИП обеспечивает только общее питание схемы, а задача распределения напряжения по каскадам лежит на разработчике схемы. Мы уделим внимание питанию операционных усилителей, так как здесь есть несколько маленьких хитростей, которые радиолюбители, да и не только они широко применяют.

Классический вариант питания операционного усилителя показан на рис. 13.13.

Рис. 13.13. Классическая схема питания ОУ от двухполярного источника со средней точкой

Здесь имеется источник двухполярного напряжения ±15 В, и в таком включении работать с ОУ очень просто, в чем вы убедились, изготовив конструкции, приведенные в этой главе. Как говорится, никаких проблем.

Но чаще всего хочется использовать однополярный источник напряжения (как правило, такие источники наиболее распространены в радиолюбительских схемах). В то же время, анализируя параметры известных ОУ, можно сделать интересный вывод — большинство их работает и при пониженном питании, чем это гарантируют технические условия. В таком случае удобно задать искусственную «общую точку» (это так называемая «плавающая земля»), как показано на рис. 13.14.

Рис. 13.14. Искусственная «общая точка» на основе резисторного делителя

Важно отметить, что такая «общая точка» годится для работы с переменными сигналами, и то не более чем для 3–4 ОУ, подключенных к ней. Но в любом случае рекомендуется на минимально возможном расстоянии от выводов питания микросхем и «общей точки» включать керамические конденсаторы небольшой емкости (примерно 0,015…0,1 мкФ) — они на рисунке не показаны. Эти конденсаторы в значительной степени «спасают» схему от импульсных помех по цепям питания. Помогают они, как мы говорили, и в случае взаимного влияния микросхем друг на друга.

Компараторы

Любой операционный усилитель можно превратить в компаратор, если не охватывать его обратной связью. Название этого электронного устройства происходит от английского слова «compare» — сравнение. Отсюда понятна функция компаратора — сравнение двух аналоговых сигналов по величине и выдача информации о том, какой сигнал больше (рис. 13.15).

Рис. 13.15. Принцип работы компаратора

Компаратору не интересны абсолютные уровни сигналов (лишь бы они не превышали максимально допустимых значений), он реагирует только на их разницу. Почему компаратор может получиться из обычного операционного усилителя? Вспомните, как «забрасывает» выходной сигнал даже от небольшого смещения на входе, и все станет ясно. Для работы в качестве компаратора нужно выбирать ОУ с максимальной скоростью нарастания сигнала и с максимальным усилением. Разработаны и специальные микросхемы компараторов, которые оптимизированы именно по скорости нарастания.

Наиболее универсальны и просты в применении популярные микросхемы компараторов К554САЗ или К521САЗ (это практически одна микросхема, но выполненная в равных корпусах, рис. 13.16).

Рис. 13.16. Внешний вид корпусов компараторов К521САЗ, К554САЗ, варианты их обозначения на электрической схеме (выводы для частотной коррекции, если они не используются, то обычно не показываются) и внутреннее строение выхода (в скобках указаны номера выводов для K554CA3)

У этих конкретных микросхем имеется еще одно достоинство — довольно мощный выход, позволяющий подключать нагрузку с током до 50 мА, к тому же там, в отличие от обычных ОУ, установлен выходной транзистор с неподключенными (открытыми) коллектором и эмиттером, что позволяет, в зависимости от необходимости, включать его по схеме с общим эмиттером или с общим коллектором. Схема с открытым коллектором удобна, когда надо согласовать выходной уровень со стандартным для логических микросхем разных типов (выход с открытым коллектором часто обозначают внутри микросхемы условным знаком в виде ромбика с чертой внизу). Напряжение питания у этих микросхем может быть двухполярным ±15 В или же однополярным от 5 до 15 В.

Не пытайтесь использовать компаратор как операционный усилитель — он совершенно не предназначен для работы в таком режиме!

А теперь поговорим об особенностях применения компараторов, точнее, о путях улучшения их характеристик. Компаратор — это типичная пороговая схема, которая изменяет свое состояние при превышении входным сигналом определенного уровня. Обычный компаратор чаще всего неплохо выполняет возложенную на него задачу, но иногда возникают неприятные ситуации, и вот почему. Допустим, мы подали на его вход медленно меняющийся сигнал, в котором присутствует небольшая высокочастотная пульсация (такое бывает довольно часто), и намереваемся сравнить его с установленным уровнем, называемым пороговым. Тогда близко к порогу переключения компаратора начнутся его переключения с большой частотой — возникает так называемый дребезг — короткие импульсы на выходе (рис. 13.17). С явлением дребезга мы часто сталкиваемся при срабатывании механических контактов, но тут случай особый, не механический.

Рис. 13.17. Дребезг выходного сигнала компаратора под воздействием помех

Увеличить помехоустойчивость компаратора позволяет установка между входами небольшой емкости (10…1000 пФ), но при этом уменьшится и быстродействие срабатывания, а это не всегда допустимо.

Устранить дребезг можно и другим способом, воспользовавшись идеей, реализованной на рис. 13.18.

Рис. 13.18. Введение гистерезиса в компаратор за счет положительной обратной связи

Суть ее состоит в установке разных порогов для переключения микросхемы, как это показано на графике, рис. 13.19 (включение происходит при большем напряжении, чем выключение). Это довольно часто используется в специальных формирователях сигнала, названных триггером Шмитта. Характеристика триггера Шмитта (рис. 13.19, б) с установленными разными порогами переключения называется гистерезисной.

Рис. 13.19. Разнесение порогов срабатывания компаратора (а) и передаточная гистерезисная характеристика (б)

Принцип работы этой схемы (рис. 13.18) таков: поскольку выходное напряжение компаратора, практически равное напряжению питания ОУ, «гуляет» в пределах ±U_пит, резистор R3 сдвигает потенциал неинвертирующего вывода то в одном, то в другом направлении, создавая дополнительный ток то через резистор R1, то через резистор R2. Увеличение-тока, как мы знаем, ведет к увеличению падения напряжения, что и сдвигает уровень сравнения. Кроме того, резистор R3 — это положительная обратная связь, которая ускоряет переключение компаратора, быстрее «забрасывает» его в крайние положения.

Отметим, что в цифровой технике, о которой у нас намечен отдельный разговор, широко применяются готовые триггеры Шмитта (резистор ОС уже установлен в корпусе микросхемы). Применяются они и в составе аналоговых микросхем. Например, в драйверных, предназначенных для управления в ключевом режиме мощными полевыми транзисторами MOSFET и IGBT, на входе обязательно имеются формирователи типа триггера Шмитта.

В качестве примера применения компаратора с гистерезисом на рис. 13.20 показана практическая схема, собранная на К521САЗ. Она может служить для автоматического включения вентилятора при повышении температуры в комнате или подвале ниже установленного регулировочным резистором предела (это позволяет уменьшить колебания температуры в помещении). Данная схема довольно универсальна и в зависимости от типа применяемого датчика (фоторезистор, ИК-диод и т. д.) может выполнять разные задачи.

Рис. 13.20. Схема автоматического термостабилизатора на компараторе (а) и вариант управления включением мощной нагрузки (б)

Работает устройство следующим образом. На один вход микросхемы подается опорное напряжение с делителя на резисторах, а на второй — напряжение с делителя, образованного термодатчиком и добавочным резистором. Так как входное напряжение у микросхемы из-за инерционности датчика меняется медленно, чтобы не столкнуться с дребезгом контактов реле (что ускоряет их износ), в схему введена положительная обратная связь (резистор R5), обеспечивающая гистерезис при переключении. Реле подойдет любое малогабаритное, на напряжение срабатывания 9 или 12 В, см. справочный раздел книги.

В качестве термодатчика лучше взять терморезистор из серии СТЗ-19 с любым номиналом (он при нагревании уменьшает свое сопротивление). В зависимости от того, к какому входу микросхемы подключен датчик, реле будет срабатывать при понижении или повышении напряжения на входе.

Аналоговые таймеры

Первые микросхемы интегральных таймеров появились в 1971 г. и были представлены фирмой Signetics Corporation как SE555 и NE555 (у них отличие заключалось только в допустимом рабочем температурном диапазоне: -55…+125 °C и 0…70 °C соответственно — так называемое индустриальное и коммерческое исполнения). В то время это были самые первые широкодоступные микросхемы, которые, благодаря своей универсальности, позволили собирать многие времязадающие узлы радиоаппаратуры с применением минимального числа внешних элементов. Но все же основное назначение микросхем — это формирование точных временных интервалов. Отсюда пошло их название — таймеры.

Внутренняя структура оказалась настолько удачной, что за прошедшие более чем 30 лет эти микросхемы все еще очень популярны и используются во многих устройствах. Под разной маркировкой их выпускают почти все крупные мировые производители электронных компонентов. Отечественная промышленность тоже делает аналоги с маркировкой: КР1006ВИ1, КФ1006ВИ1, ЭКФ1087ВИ2, КР1087ВИ2, КР1441ВИ1 и др.

Все эти таймеры обладают такими достоинствами, как стабильность работы в широком диапазоне питающих напряжений, достаточно мощный выход и дешевизна. При этом выход легко согласуется с любыми аналоговыми и большинством цифровых микросхем (ТТЛ, МОП, КМОП). Несмотря на то, что микросхема называется таймером, благодаря своей структуре она может применяться и во многих других электронных устройствах, например в генераторах импульсов различной формы (прямоугольных, треугольных, пилообразных, модулированных по длительности или частоте), помехоустойчивых повторителях сигнала, триггерах и т. д. В дальнейшем вы сможете познакомиться со всеми этими устройствами по книге [1]. Пока же мы рассмотрим наиболее популярные и простые применения.

Следует отметить, что в настоящее время существует две разновидности таких микросхем: классические (изготовленные на основе биполярных транзисторов) и микромощные (на основе полевых). Микромощные потребляют меньше, но и нагрузочная способность у них по току поменьше 50… 100 мА (к тому же стоят пока существенно дороже). Но, несмотря на разные внутренние принципиальные схемы и технологии изготовления таймеров от различных производителей, все они полностью совместимы по номерам и назначению выводов, что фактически стало стандартом, ну и, конечно, работают аналогично.

Большинство таких микросхем производится в 8-выводном корпусе, показанном на рис. 13.21.

Рис. 13.21. Вид корпуса (а) и назначение выводов (б)

Кроме одиночных 555-таймеров, выпускаются также сдвоенные из серии 556 (два одинаковых таймера в одном корпусе, в котором общими сделаны цепи питания) и счетверенные таймеры, но они менее распространены и доступны по цене. Других отличий от одиночных таймеров эти микросхемы не имеют и работают так же, поэтому мы пока обойдемся одинарными.

Чтобы понять, как работает любая схема, выполненная на основе таймера, давайте более подробно рассмотрим внутреннее устройство классического варианта микросхемы, показанной на рис. 13.22. Приведенные на рисунке диаграммы напряжений в контрольных точках поясняют работу.

Рис. 13.22. Функциональная схема таймера с подключенными внешними времязадающими цепями для работы в режиме автогенератора

На рисунке внутри микросхемы показаны основные узлы:

• два операционных усилителя, работающих в качестве компараторов (1 и 2);.

• RS-триггер (Т);

• выходной усилитель для повышения нагрузочной способности (3);

• ключевой транзистор, имеющий открытый коллектор (V14), его иногда называют разрядным.

Назначение всех выводов микросхемы следующее (в скобках указаны встречающиеся на схемах обозначения):

1 — (GND, — V_cc) общий провод, соединяется с цепью отрицательного питающего напряжения.

2 — (TRIG, Trigger, ST) вход компаратора, который используется для управления переключением выходного напряжения. Пороговым напряжением для переключения триггера является уровень 0,667 от U_п.

3 — (OUT, Output) выход, предназначен для подключения нагрузки с током до 200 мА. Транзисторы выходного усилителя (3) включены по схеме Дарлингтона и обеспечивают напряжение на выходе приблизительно на 10 % меньше, чем уровень питания (+U_п). С этого выхода сигнал можно подавать непосредственно и на входы цифровых микросхем — ТТЛ или КМОП логики.

4 — (RST, Reset) сброс, этот вывод используется для возвращения выхода (3) к нулевому состоянию. Пороговый уровень напряжения сброса меньше или равен 0,7 В (этот уровень не зависит от величины U_п, ток входа должен быть не менее 0,1 мА). Вход сброса обладает приоритетом и устанавливает на выходе низкое напряжение независимо от состояния любых других входов. Когда этот вход не используется, чтобы избежать возможности ложного срабатывания (сброса от помех), рекомендуется его соединять с +U_п.,

5 — (CONT, Control voltage, CN) контрольное напряжение, этот вывод позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания, являющейся опорной для работы верхнего компаратора. Использование данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы. В случае, если вывод управляющего напряжения не используется, для защиты от помех к нему подключают конденсатор емкостью не менее 0,01 мкФ, соединенный с общим проводом.

6 — (THRES, Threshold, SR) вход компаратора, который используется для переключения выхода в нулевое состояние. Это происходит, когда напряжение на входе превысит уровень 2/3 от U_п (нормальное пороговое напряжение вывода 5).

7 — (DISCH, Discharge) вывод коллектора транзистора (V14), эмиттер которого подключен к общему проводу. Состояние этого транзистора идентично состоянию выхода 3, т. е. он открыт (имеет низкое сопротивление), когда на выходе ноль (напряжение насыщения обычно ниже 100 мВ) и заперт (высокое сопротивление — ток утечки не более 20 нА), когда на выходе присутствует напряжение. Обычно он служит для разряда внешнего времязадающего конденсатора. В некоторых применениях микросхемы этот вывод коллектора может использоваться и как вспомогательный выход с нагрузочной способностью по току до 100 мА.

8 — (+V_cc, +U_п) питание, на этот вывод подается положительное напряжение питания в диапазоне от 4,5 до 16…18 В.

На практических принципиальных схемах внутреннюю структуру рисуют довольно редко. Это удобно только для того, чтобы разобраться в работе микросхемы. Чаще всего вы встретите упрощенный вид, например, как это показано на рис. 13.23, где изображена та же самая схема, что и на рис. 13.22, только к выходу D1/3 уже подключена через конденсатор нагрузка — динамик с сопротивлением катушки не менее 50 Ом. Вид нагрузки и место ее подключения зависят от того, что мы хотим получить от таймера, т. е. от его времязадающей цепи. Нагрузкой могут быть светодиоды, ИК-диоды, реле (рис. 13.23, б). А в случаях, когда требуется управлять мощной нагрузкой (например, низкоомным динамиком), потребляющей более 100…150 мА, ставят дополнительный каскад с усилителем на полевом или биполярном транзисторе (рис. 13.23, в).

Рис. 13.23. Схема генератора импульсов (а) и разные варианты подключения нагрузки (б, в)

Частота выходных импульсов определяется по формуле, приведенной на рис. 13.22 (размерность величин для расчета можно брать из табл. 13.1, так как в калькулятор неудобно вводить единицы в фарадах и омах, к тому же с большим числом разрядов может работать еще и не каждый из них).

Давайте рассмотрим, как работает самый распространенный генератор импульсов (называемый еще мультивибратором). Проще всего изучать работу микросхемы, если собрать типовую схему на печатной плате (рис. 13.24).

Рис. 13.24. Печатная плата и внешний вид монтажа

Расположение элементов на ней специально не очень плотное — это позволяет легко модифицировать схему. Например, установить времязадающий конденсатор большой величины и получить генератор сверхнизкочастотных импульсов (мигалку-маяк для аварийных огней или других целей), а так же производить любые изменения в схеме из тех, что будут указаны далее. Так, если вместо резистора R2 установить перемычку, то мы получим одновибратор. Топология платы также предусматривает установку светодиодного индикатора и усилителя мощности на транзисторе (эти элементы на плате показаны пунктиром). Но обо всем по порядку.

Сначала, пожалуй, следует понять, как работает имеющийся в составе микросхемы RS-триггер, — именно с него сигнал поступает на выход. Вообще-то триггеры чаще можно встретить в цифровой технике — так называется логический элемент, который, в зависимости от управляющего сигнала на входах, может переключать выход, к тому же запоминает и хранит это состояние. На выходе может быть одно из двух устойчивых положений — когда есть напряжение, близкое к питающему (лог. 1), либо же оно около нуля (лог. 0). Импульс на входе S (setup — установка) устанавливает на выходе высокий уровень напряжения, а на входе R (reset — сброс) — низкий. Дополнительный инверсный вход R (вывод 4) является приоритетным, а это значит, что при низком напряжении на нем выход триггера устанавливается в «ноль» независимо от других управляющих сигналов.

Управляют переключением триггера два компаратора. В любой практической схеме, собранной на таймере, работающем в режиме формирования импульсов, имеется времязадающий конденсатор, уровень напряжения на котором и контролируют компараторы (как работают компараторы, вы уже знаете из предыдущего раздела). Заряд конденсатора от источника напряжения идет через один или два добавочных резистора (число резисторов зависит от вида схемы). У компараторов имеется два порога срабатывания 1/3 и 2/3 от U_п (т. е. работа схемы не зависит от уровня питания). Разработчики микросхемы позаботились для нас, чтобы чувствительность формируемого интервала времени к изменению питающего напряжения была довольно низкой (обычно не более 0,1 % на вольт). Это значит, что применять стабилизацию питания необходимо только в исключительных случаях:

В генераторе, схема которого показана на рис. 13.22 (13.23), напряжение на конденсаторе как раз и меняется в интервале от 2/3 до 1/3 от U_п, так как в эти моменты срабатывают соответствующие компараторы и происходит переключение режимов заряд/разряд конденсатора. Из схемы видно, что заряд С1 проходит через два резистора R1 + R2, а разряд через более короткую цепь — всего один — R2 (за счет включения транзистора V14). Естественно, в этом случае и длительность у выходных импульсов будет несимметричной.

На рис. 13.25 показаны различные модификации генераторов, обладающие особыми свойствами, например позволяющие получить симметричные импульсы (когда Т1 = Т2, их называют меандром) или импульсы с регулируемой скважностью в широких пределах при неизменной частоте (например, если лампа аварийных огней будет светиться короткими вспышками, это значительно уменьшит потребление энергии).

Рис. 13.25. Варианты генераторов импульсов:

_{а — меандра; б — с регулируемой скважностью при неизменной частоте}

В этих схемах не используется вывод 7, а разряд конденсатора (так же, как и заряд) проходит через выход микросхемы. Такой генератор может быть не только тактовым (задающим частоту) для работы простейшей цифровой схемы или преобразователя, но и применяться для звукового оповещения (создания сигнала тревоги).

Для генераторов, собранных на классических микросхемах из серии 555, максимальная частота импульсов обычно не превышает 200…500 кГц, но современные аналоги, например из серии 7555, позволяют работать с частотой 1,1 МГц, a TLC555 — 2,1 МГц. При этом надо учитывать, что все микросхемы могут работать и на более высоких частотах, чем это рекомендовано производителями, если для вас не нужны гарантии по стабильности частоты и не важно, какие будут завалы фронтов у выходных импульсов (они станут больше похожи на искаженный синус).

Схемы на таймерах можно легко включать каскадно, т. е. друг за другом, когда первая микросхема управляет второй. Это позволяет получать прерывистое, двухтональное или плавно меняющееся звучание. Например, в схеме на рис. 13.26, если частота у генератора D1 значительно более низкая, чем у D2, то в динамике получится двухтональный сигнал.

Рис. 13.26. Каскадное включение микросхем для получения многофункционального генератора

Имеющийся в схеме включатель SA1 позволяет превращать сигнал из двухтонального в прерывистый — генератор D1 периодически отключает работу D2 (путем подачи через контакты SA1 на вход D2/4 уровня логического нуля). Замечено, что прерывистый звуковой сигнал сильнее привлекает внимание и менее утомителен для слуха. Причем частоту повторения сигналов можно регулировать в широком диапазоне. Приведенная схема предусматривает электронное управление включением, т. е. электрическим сигналом (нулем) можно полностью отключить выходную микросхему. В схеме эту задачу выполняет включатель SA2. Если ввести еще один включатель SA3, то с его помощью генератор можно сделать однотональным, так как при этом отключается генератор на микросхеме D1.

Если же у вас нет необходимости устанавливать произвольную частоту повторения, а достаточно и 2 Гц (два сигнала в секунду), то можно воспользоваться более простой схемой, выполненной всего на одном таймере и специальном светодиоде (с прерывистым свечением), рис. 13.27.

Рис. 13.27. Генератор прерывистого звукового сигнала на мигающем светодиоде

Ну а теперь давайте познакомимся с практической схемой одновибратора. На рис. 13.28 показано типовое включение микросхемы для получения на выходе одного импульса заданной длительности.

Рис. 13.28. Таймер для отключения нагрузки через заданный интервал времени

При подаче питания на схему, так как на инверсном входе нижнего компаратора уровень напряжения низкий, внутренний триггер включится, и на выходе (вывод 3) появится напряжение.

Длительность импульса, т. е. время присутствия напряжения на выходе, определяется временем заряда конденсатора С2 до уровня напряжения срабатывания верхнего компаратора (2/3 от U_п). Его легко можно рассчитать по формуле:

Т = 1,1·С·(R1 + … + Rn),

где Т — в секундах, С — в фарадах, R — в омах.

Чтобы была возможность выбирать разные временные интервалы, времязадающих резисторов может быть установлено много и при помощи переключателя коммутироваться нужные (на схеме их показано всего 5). При указанных номиналах интервалы получаются 2, 4, 6, 8, 10 мин. Любую внешнюю нагрузку (зарядное устройство, ионизатор, нагреватель, приемник или что-то еще) отключит группа контактов электромагнитного реле К1.1 — его можно подобрать по справочному разделу приложения. Напряжение питания схемы выбирается в зависимости от номинального рабочего напряжения реле. Кнопка SB1 служит для того, чтобы повторно включить таймер (не выключая питание).

Для монтажа этой схемы можно воспользоваться топологией печатной платы на рис. 13.29.

Рис. 13.29. Топология печатной платы, расположение элементов и вид монтажа таймера (реле использовано типа РЭС47 на 27 В)

Обычно у каждого, кто собирает временной таймер, своя цель, и, соответственно, нужно иметь свои интервалы времени. В этом случае удобно воспользоваться расчетом по приведенной выше формуле. А чтобы получить значение временного интервала сразу в нужной размерности, при выборе величин удобно руководствоваться табл. 13.2. Можно также воспользоваться компьютерными программами для расчета, см. главу «Компьютер в лаборатории радиолюбителя».

Значения времязадающих элементов могут изменяться в широких пределах, и теоретически не существует ограничений на их выбор, но на практике они все же есть (это справедливо и для генераторов). С точки зрения экономичности работы устанавливать R1 меньше 10 кОм нецелесообразно. Практический минимум для С3 приблизительно 95 пФ — при более низких значениях паразитные емкости станут оказывать существенное влияние на точность формируемого интервала. Воспользовавшись этими значениями, можно рассчитать минимальную длительность импульса на выходе — она составит 1 мкс, что получается в 100 раз меньше, чем рекомендуемый минимум (1 мс), но это позволяет иметь большой запас в выборе значений R и С (обычно удобнее бывает сначала выбрать конденсатор из стандартного ряда, имеющий малые габариты, а затем рассчитать резистор).

Верхний предел для резисторов (R1 + Rn) находится приблизительно около 15 МОм, но он должен быть выбран меньше, если необходимо получить у формируемого импульса длительность с точностью не хуже, чем указано в паспорте для микросхемы (обычно 1 %). Верхний предел сопротивления связан со значением входного тока через выводы микросхемы (утечка). Например, при пороговом токе утечки 120 нА это значение получается 14 МОм (когда рабочее напряжение 5 В). Но, так как при формировании больших временных интервалов обычно используются полярные оксидные конденсаторы с большими номиналами, в этом случае их утечку также следует учитывать, поскольку она может быть соизмерима с входной у микросхемы. Иначе при больших значениях R может получиться ситуация, когда в процессе заряда напряжение на конденсаторе не сможет дорасти до порогового значения (2/3 U_п. В этом случае выходной триггер не переключится. Поэтому на практике значение номинала R выбирают с запасом так, чтобы это не могло случиться даже при максимальном технологическом разбросе применяемых деталей. К тому же для получения импульсов большой длительности лучше использовать специальные оксидные конденсаторы с низкой утечкой (танталовые).

Другие аналоговые микросхемы

Этот подраздел может быть очень длинным, а может быть очень коротким. Авторы решили остановиться на втором варианте, поскольку описать все типы специализированных аналоговых микросхем, использующихся в современной технике, просто невозможно. Вот краткий перечень устройств, в которых можно встретить эти микросхемы. Например, в телефонных аппаратах — схемы вызова абонента, усилительные схемы, схемы набора номера. В радиоприемной и телевизионной технике, в частности, в бытовых телевизорах, очень много специализированных аналоговых микросхем. Впрочем, если рассматривать внутреннее устройство этих микросхем, то окажется, что они состоят из дискретных элементов, операционных усилителей, компараторов, таймеров и других схемотехнических блоков. В любом случае, если читатель столкнется с такой микросхемой, ему нужно будет разыскать на нее техническую документацию и разобраться с принципами работы.