ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

10. Další analogové IO

Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

Další analogové IOPřehled

Nejrozšířenější analogové integrované obvody

• Stabilizátory napětí (proudu)

• Transimpedanční a transkonduktanční zesilovače

• Komparátory

• Multivibrátory, oscilátory

• Převodníky A/D a D/A

• Výkonové zesilovače (zvuk, video)

• Vf zesilovače, multiplexery, přepínače, zeslabovače

• Modulátory, demodulátory, fázové závěsy

• Aplikačně orientované obvody: GSM, TV, …

Další analogové IOStabilizátory napětí

Jsou většinou součástí elektronických napájecích zdrojů. Jejich úkolem je udržovat konstantní napětí ve zvoleném místě nehledě na vliv zátěže, teploty a času.

Principielní blokové schéma

+UCC

0 V

+UC0

Zd

roj

refe

ren

čníh

o

nap

ětí

Reg

ula

ční

člen

Ob

vod

y p

rou

do

vé

och

ran

yOZ

RL

Zátěž

Zdroje referenčního napětíPožadavky: Dlouhodobě stálé napětí, nezávislé na napájecím

napětí, teplotě a zátěži.

ZDROJE SE ZENEROVOU DIODOU

DDB0B

C

Z0

rIUU

r

UII

I0

UB0

U

I

I

U

VA charakteristiky Stabilizace

Ω3

rr

1

r

ΔI

ΔU

10

rr

1

1

ΔU

ΔU

C

D

D

L

B

4

D

CCC

B

Vůči napájení:

Vůči zátěži:

Nevýhody: UB0 i jeho teplotní závislost závisejí na struktuře ZD (tj. na technologii diody a její geometrii) velký výrobní rozptyl parametrů

Důsledky: V IO se využívá jen u méně náročných aplikacích

+UCC

UB

I

UZ

Zapojení

IL

RL

Zdroje referenčního napětíZDROJE S PŘECHODEM PN

kTE

expII

mV25ekTU

IIlnUU

UUexpII

g00S

T

ST

TS

VA charakteristika přechodu PN

Stabilizace

1g

S

TD

TD

3

T

SC

CC

D

mV.K2eT

EIIln

T

U

ΔT

ΔU

Ω25I

U

ΔI

ΔU

10

UIr1

1

ΔU

ΔU

Zapojení

+UCC

UD

I UZ

IL

RL

Výhody: UD i jeho teplotní závislost nezávisejí na struktuře diody (tj. na technologii diody a její geometrii), lze využít i přechody BE tranzistorů

Nevýhody: Nižší stabilizační efekt na napájecí napětí, vyšší vnitřní odpor, větší teplotní závislost UD

Důsledek: Vzhledem k menšímu výrobnímu rozptylu se po kompenzaci hojně používají pro náročné aplikace

Stabilizovaný zdroj využívající přechody BE tranzistorů NPN

Nutno zajistit kompenzaci teplotní závislosti, potlačit vliv změny napájecího napětí a maximálně snížit vliv zátěže RL

Příklad řešení

• Stabilizovaná napětí: U5 a U6

• Dělič zpětné vazby: R6, R5

• Zpětná vazba udržuje U1 = U2

I1R1 = I2R2

Předpokládá se:

• Shodnost T1 a T2

• Dodržení vzájemnného poměru odporů R1, R2, R3, R4

IL

R1

R3

I1

R2

R4

R5

R6T2

U5

U6

UCC

I2

U2

U1

U3

U4

T1

UBE2

UBE1 RL

Stabilizovaný zdroj využívající přechody BE tranzistorů NPN

R1

R3

I1

R2

R4

R5

R6T2

U5

U6

UCC

I2

U2

U1

U3

U4

T1

UBE2

UBE1

1. Záporná zpětná vazba z děliče

R6/R5na báze tranzistorů T1 a T2

U2 – U1 0 R1I1 R2I2

2. UBE2 > UBE1 I2 > I1

UBE1 = UT.ln(I1/Is);

UBE2 = UT.ln(I2/IS)

UBE2 = UBE1 + U3 U3 = UT.ln(I2/I1) =

= UT.ln(R1/R2)

Zjednodušené zapojení

1. Kompenzace teplotní závislosti napětí U5

UCC2

Aby U5 nezáviselo na teplotě, musí platit:

0T

U

T

U

T

U 4BE25

Poměr odporů R1/R2 = n musí splňovat podmínku: (1+n).ln(n) =23.R3/R4

Potom:U5 = 1,205 V –stálé napětí (tzv. Band-Gap zdroj)

A dále: U6 = U5.(R6+R5)/R5

mV/K2T

U

R

Rln

R

R1

R

R

e

k

R

R1R

T

I

T

U

0T

U

T

U

T

U

BE2

2

1

2

1

3

4

2

14

14

BE245

R1

R3

I1

R2

R4

R5

R6T2

U5

U6

UCC

I2

U2

U1

U3

U4

T1

UBE2

UBE1

Aby U5 nezáviselo na teplotě, musí platit:

Stabilizovaný zdroj využívající přechody BE tranzistorů NPN

Stabilizovaný zdroj využívající přechody BE tranzistorů NPN

Potlačení vlivu napájecího napětí

Zpětná vazba napájející větve s I1 a I2

U6/UCC 1/CMR ~ 10-5

Potlačení vlivu zátěže

Výstupní odpor OZ: rOZ ( 50 ):

U6 = A(U2-U1) – ILrOZ

Výstupní odpor celého zdroje:

ri = U6/IL = rOZ.(1+R6/R5)/A ~ 0,2

R1

R3

I1

R2

R4

R5

R6T2

U5

U6

UCC

I2

U2

U1

U3

U4

T1

UBE2

UBE1

IL

Regulační členPříklad řešení napěťového zdroje s

regulačním členem

T3

ZD1

R1UBR2

I I2

R3

C1

RL

UL

UCC

• I1, ZD1 ….. zdroj referenčního napětí

•T1, T2 , I2, R1… diferenciální zesilovač

• C1 …. kmitočtová korekce

• R3, R2 …. dělič napětí ve zpětné vazbě

• T3 …regulační člen

• RL …. zátěž

Regulační člen a nadproudová ochrana

Příklad řešení napěťového zdroje s regulačním členem a proudovou ochranou

ZD1

R1UBR2

I I2

R3

R4

R6R5

C1

RL

UL

UCC

• R4 … detekce proudu zátěží

• T4 … při vzrůstu proudu zátěží nad 0,6/R4 uzavírá T3

• ZD2, R5 , R6 … zabraňují úplnému uzavření T3

ZD2

Stabilizátory napětíZapojení IO při stabilizaci napětí

Stabilizátor

RL

Zátěž

U1

Napájení U2

C1 C2

• U2 je stabilizované napětí

• Kondenzátory C1 a C2 zabraňují rozkmitání stabilizační smyčky a jejich velikost bývá doporučena výrobcem IO

Stabilizátory prouduZátěž není uzemněná

Stabilizovaný proud IL = UREF/R1

RLR1 UL

UREF

-UCC

+UCC IL

Proudový zdroj v invertujícím zapojení

RL

R1

ULUREF

-UCC

+UCC

IL

Proudový zdroj v neinvertujícím zapojení

Stabilizátory prouduZátěž je uzemněná

Stabilizovaný proud IL = UREF(R1 + R2)/(R1.R2)

R2

UL

UREF

-UCC

+UCC

IL

R2

R1

R2

R2

RL

Nutno využít záporné i kladné zpětné vazby

Transkonduktanční zesilovačeZesilovače s vysokým vstupním odporem (napěťový vstup) a s vysokým výstupním odporem (proudový

výstup)

• Rin >> RZ Iin 0; Uin UZ (vstupní veličinou je napětí zdroje)

• Rout RL Iout gmUin (výstupní proud je funkcí vstupního napětí a nezávisí na zátěži)

~

Iout

Uin

RZ

UZ

UoutRL

Situace

gm Sje tzv. přenosová vodivost – transkonduktance zesilovače

Transkonduktanční zesilovačePříklad provedení

Obecně platí:

I1 = I3 = I5; I2 = I4

Iout = I4 – I5 = I2 – I1

I1 + I2 = IZ

Uin = U1-U2 = UT.ln(I1/I2)

I1 = I2.exp(Uin/UT)

Pro malé odchylky (nízké Uin) lze vztahy linearizovat:

i1 =uin. IZ/(2UT) + i2 neboli:

i1 =uin. IZ/(4UT)

iout = 2i1 = uin. IZ/(2UT)

Iout

Uin

UL RL

T1 T2

T3

T4

T5

D1 D2

D3

UCC

IZ

I4

I5I3

I1I2

U1

U2

Přenosová vodivost gm = IZ/(2UT)

Transkonduktanční zesilovačePoužití, parametry

Aplikace

• Buzení laserů, LED diod

• Buzení sériových linek

• Buzení nízkoimpedančních vedení (koaxiálů)

Typické parametry

gm 10 – 100 mA/V

CMR > 100 dB

SR 50 V/s

fT 1 MHz – 100 MHz

Transimpedanční zesilovačeZesilovače s nízkým vstupním odporem (proudový vstup)

a s nízkým výstupním odporem (napěťový výstup)

• Rin << RZ Iin UZ/RZ …. (vstupní veličinou je proud zdroje)

• Rout << RL Uout zmIIn (výstupní napětí je funkcí vstupního proudu a nezávisí na zátěži) ~

Iin Iout

Uin

RZ

UZ

UoutRL

Situace

zm je tzv. přenosová impedance – transimpedance

zesilovače

Transimpedanční zesilovačePříklad provedení

Širokopásmové zesilovače pro zesilování zdrojů proudu (náboje)

1. Rovnovážný stav: Iin = 0 I1=I2; I3 = I4 I5 = 0

2. Odchylky od rovnovážného stavu:

I1 = - i2; i4 = - i5 i5 = iIN

1. Kirchhoffův zákon: Iin + I1 = I2; I3 = I4 + I5; Tranz. T3 a T4: I3 = I1; I4 = I2

+UCC

-UCC

I5

T3

T4

I3

I4

Iin

IZ

IZ

T1

T2

D3

D4

+1

Rp

Cp Uout

I1

I2

D1

D2

Up

uout = up = iin//(1+jCpRp)

KomparátoryZákladní funkce a použití

Obvody sloužící pro porovnávání (komparování) dvou napětí: obvykle napětí zpracovávaného signálu s nějakým referenčním napětím

U2 = +Umax, pro U1 > UT

U2 = -Umax, pro U1 UT

UT je nastavené referenční prahové (rozhodovací)napětí

UT

UU1

U2+Umax

-Umax

t

Umožňuje rozhodnout o nespojité změně výstupních parametrů (zapnutí, vypnutí,

přepnutí,..) na základě toho, že měřená veličina překročí mezní

podmínku

+

- U2

U1

UT

1

2

3

=

KomparátoryZpůsoby řešení

Nejjednodušším komparátorem je operační zesilovač bez zpětné vazby (s plným ziskem)

+

- U2

U1

UT

1

2

3

=U1-U2

+Umax

-Umax

Pásmo neurčitosti

U3

Hlavní nevýhoda tohoto řešení – OZ je při velkém vstupním napětí v saturaci pomalý průběh přechodu mezi krajními stavy

Řešení: antisaturační úpravy, aby OZ pracoval pouze v lineární oblasti

KomparátoryAntisaturační úprava

+UCC

SD1

T1

Hlavní příčinou saturace tranzistorů je, že jejich báze dostane vyšší potenciál, než

kolektor. Tomu zabrání zapojení Schottkyho diody SD1 mezi bázi a kolektor každého

tranzistoru, která v tomto případě převezme proud B-K.

Schottkyho dioda pracuje pouze s majoritními nosiči její zotavení je velmi rychlé.

EBCN+

N

N+

Utopená vrstva N++

P

SiO2SiO2

P+

Schottkyho dioda

Technologické řešení v izoplanární struktuře:

KomparátoryKomparátor s hysterezí

Hystereze komparátoru:

Přechod komparátoru z dolní úrovně na horní a naopak

probíhá při různých vstupních napětích.

Použití:

Ochrana proti zbytečnému opakovanému překlápění tam a

zpět v důsledku fluktuací měřené veličiny, rušení a podobně.

Celková hystereze

Uin

+UoutH

-UoutL

Uout

UinLUinH

Samovolné přechody

komparátoru s hysterezí

Přechod komparátoru bez hystereze

KomparátoryKopmparátor s hysterezí - použití

Použití:

Ochrana proti zbytečnému opakovanému překlápění tam a

zpět v důsledku fluktuací měřené veličiny, rušení a podobně.

UH Uin

+UoutH

-UoutL

Uout

Uin

Uout

Vstupní signál

Komparátor bez hystereze

Komparátor s hysterezí

UH

Komparátor s hysterezí - provedení

Ze stavu UoutL (na výstupu je minimální napětí –Umax = Uout L) se do opačného stavu UoutH = +Umax při napětí: UinL = -

UoutL.R2/R1 .

Podobně pro opačný směr překlápění platí: UinH = -UoutH.R2/R1 .

Uin1

2

3Uout+

-

R1

R2

R2

Nutno zavést kladnou zpětnou vazbu

Neinvertující komparátor s hysterezí

Uin

1

2

3Uout+

-

R1

R2

R2

Invertující komparátor s hysterezí

UintL = UoutL.R2/(R1+R2)

UintH = UoutH.R2/(R1+R2)

Výhody invertujícího komparátoru:

• Zdroj signálu není zatěžován komparátorem

• Napětí překlopení nejsou ovlivněna vnitřním odporem zdroje signálu

Komparátor s hysterezís definovanými napětími přechodu

Nevýhody uvedených komparátorů s hysterezí: hystereze závisí na napětí Umax , na napájecím napětí, na poměru odporů R1/R2.

6

3

Uout

U

Uin

UREF2 UREF1

UH

3

Uin4

56

+

-R2

1

2

3

Uout

R1

R2

R2

+

-

R2

+

-

R2

UREF1

UREF2R2

Komparátor 3

Komparátor 2

Komparátor 1 Komparátor 1: invertující bez hystereze, překlápí při UREF1

Komparátor 2: neinvertující, bez hystereze, překlápí při UREF2

Komparátor 3: neinvertující s hysterezí, hystereze UH3 velmi malá (eliminuje pouze rozdíly v úrovních Komp.1 a Komp. 2)

Multivibrátory Skupina obvodů s rychlým překlápěním

mezi dvěma krajními stavy

Základní rozdělení:

• Bistabilní multivibrátory – klopné obvody (flip-flop): Obvody se dvěmi stabilními stavy. Mezi těmito stavy se obvod překlopí v důsledku působení vnějšího signálu

• Monostabilní multivibrátory: Obvody s jedním stabilním stavem. Je-li tento obvod překlopen působením vnějšího napětí, vrací se samovolně, po uplynutí charakteristické doby do stabilního stavu.

• Astabilní multivibrátory:Obvody, které nemají stabilní stav, ale které se samovolně a periodicky překlápějí mezi dvěma krajními stavy.

Bistabilní multivibrátory Nejjednodušším bistabilním multivibrátorem je

komparátor s hysterezí

Rozdíly:

1. Na vstup komparátoru je signál připojen stále a komparátor reaguje na jeho změny. Hystereze komparátoru předchází opakovanému spínání spotřebičů a eliminuje vliv rušení. Rozsah hystereze UHK je zpravidla pouze 0,1 až 0,3 V. Hysterezní smyčka je úzká

2. Signál se na vstup multivibrátoru přivádí jen pro účely překlopení do druhého stavu. Kvůli spolehlivé funkci je klopné napětí UK ~ 1 V až 5 V.

UHK

Uin

+UoutH

-UoutL

Uout

+UK-UK

-Umax

+Umax

Multivibrátor

Široká hysterezní

smyčkaKomparátor

Úzká hysterezní smyčka

Bistabilní multivibrátoryPříklad zapojení, funkce

Dva stabilní stavy:

1. T1 nevede, T2 vede

I2 = 0; I1 = IE; UC2 UCC; UC1 = UCC – IERC; UB1 = UCCR2/(R1+R2) ~ Ucc/2; UBE1 0,6 V; UB2 = (UCC- IERC)R2/(R1+R2); UBE2 ~ - 2 V;

2. T2 nevede, T1 vede (opačný stav)

Přechod ze stavu 1 do stavu 2:

1. Kladným impulzem do báze T2 (B2)

2. Záporným impulzem do kolektoru T2 (C2)

Přechod ze stavu 2 do stavu 1:

1. Kladným impulzem do báze T1 (B1)

2. Záporným impulzem do kolektoru T1 (C1)

UCC

RCRC

R1R1

RER2 R2

T1T2

UC1UC2

UB2UB1

I1 I2

IE

B2

C2

B1

C1

Symetrický obvod

Bistabilní multivibrátoryPřeklopení, aplikace

Parametry překlápěcího impulzu:

1. Amplituda: do báze ~ UCC/4;

do kolektoru ~ UCC/2

2. Délka: Tp ~ UCC/(2.SR)

Aplikace:

• Přepínač s pamětí

• Základní buňky pamětí (jednobitová buňka)

UCC

T1T2

B2

C2

B1

C1

R1 R1

R2 R2RE

RC RC

Monostabilní multivibrátoryPříklad zapojení, funkce

Způsob provedení:

Náhrada jednoho zpětnovazebního odporu R1 kondenzátorem CV

Jeden stabilní stav:

Ve stabilním stavu se kondenzátor neuplatňuje a báze T1 má tedy potenciál společného vodiče (O V) I1 = 0; I2 = IE;

UC1 UCC; UC2 UCC- IERC

Překlápění:

• Obvod ve stabilním stavu

• Kladným impulzem do B1 překlopíme obvod do stavu 2

• Záporným impulzem do C1

UCC

T1 T2B2

C1

B1

C2

CV I1 I2

IE

RC RC

R2 R2RE

R1

Monostabilní multivibrátoryPřeklápění, aplikace

PřeklápěníPo odstranění překlápěcího

signáluse začne vazební kondenzátor nabíjet přes

odpor R2 (potenciál UB1 klesá s časovou konstantou = R2CV). Ve chvíli, kdy nastane rovnost napětí UB1 = UB2 = UBmin dojde k

rychlému překlopení do stabilního stavu 1

Aplikace

Tvarování impulzů pro komunikace (obnova impulzů)

Různé převodníky (npř. A/D konvertor, f – napětí a jiné

fyzikální veličiny).

Překlápěcí impulz

Průběh napětí na bázi T1

Napětí na kolektoru T1

UPUBmin

UBmin

t

t

t

U

Astabilní multivibrátoryZapojení, funkce

Funkce

Oba stavy 1 i 2 jsou nestabilní:

a) Stav 1 (I1= 0, I2 = IE):

Kondenzátor CV2 se začne nabíjet, přes odpor R2 a potenciál báze T2 bude klesat. Jakmile se vyrovnají předpětí UB1 = UB2, dojde k rychlému překlopení ze stavu 1 do stavu 2.

b) Stav 2 (I2= 0, I1 = IE):

Obdobný průběh.

c) Doba periody Top NR2CV

UCC

T1 T2B2

C1

B1

C2

CV1 I1 I2

IE

CV2

R2R2 RE

U1U2

ZapojeníOba vazební odpory R1 jsou

nahrazeny vazebními kondenzátory CV

Astabilní multivibrátoryPrůběhy, aplikace

Aplikace• Oscilátory, taktovače (hodiny),

• Přesné scilátory s krystalovým filtrem

UCC

T1 T2B2

C1

B1

C2

CV1 I1 I2

IE

CV2

R2R2 RE

U1U2

p

RC

Top

t

t

U

UB1

UB2

U1 – U2

RC … doba nabíjení kondenzátoru CV

p … doba překlopení obvodu