Amplificatoare opera\ionale

Transcript

1 Anexe Anexa 1 Amplificatoare opera\ionale 432 A. Amplificatoarele opera\ionale ]i traductoarele neuzuale 432 B. Decuplarea aliment`rii ]i legarea la mas` [n cazul amplificatoarelor opera\ionale 433 Anexa 2 Circuite digitale 433 A. Programe de calculator pentru simularea circuitelor digitale 433 B. Por\i logice 434 C. Circuite bistabile 434 D. Interconectarea familiilor digitale 435 E. Comanda circuitelor logice cu comutatoare mecanice 436 F. Comanda circuitelor digitale cu amplificatoare opera\ionale ]i comparatoare 438 G. Comanda sarcinilor externe cu circuite ]i CMOS 439

2 432 Electronic` - Manualul studentului Anexa 1 Amplificatoare opera\ionale A. Amplificatoarele opera\ionale ]i traductoarele "neuzuale" Pentru a putea fi utilizat mai departe, semnalul ob\inut de la un traductor trebuie "condi\ionat" : convertit din curent [n tensiune, amplificat, filtrat, etc.. Dac` [n cazul traductoarelor des utilizate (termocupluri, pun\i rezistive, fotodiode) exist` documenta\ie din bel]ug, pentru traductoarele neuzuale, care implic` tehnici sofisticate de conversie ]i condi\ionare, documenta\ia este extrem de s`rac`. {n Nota de Aplica\ii 301 "Signal Conditioning for Sophisticated Transducers", ianuarie 1982, de la National Semiconductor sunt discutate cazurile tubului fotomultiplicator (PMT), detectorului piroelectric, rezonatorului piezoelectric ultrasonic, accelerometrului piezoelectric, transformatorului diferen\ial liniar (LVDT) precum ]i ale altor traductoare. Pentru fotomultiplicator, circuitul recomandat este prezentat [n Fig. A1.1. {n afar` de o conversie liniar` curent-tensiune, esen\ial` este asigurarea unei tensiuni de alimentare stabile ]i f`r` zgomot. Fig. A1.1.

3 Anexe 433 B. Decuplarea aliment`rii ]i legarea la mas` [n cazul amplificatoarelor opera\ionale La prima vedere amplificatorul opera\ional (AO) pare un circuit cu numai trei borne de semnal (cele dou` intr`ri ]i ie]irea). }i totu]i, curentul de ie]ire ce str`bate trebuie s` se [ntoarc` undeva [n interiorul AO. De cele mai multe ori se spune c` acest curent curge "la mas`". Dar amplificatorul opera\ioanal nu are born` de mas`! Curentul se [ntoarce prin firele de alimentare. Acest aspect face ca problemele legate de decuplarea [n alternativ a bornelor de alimentare ]i de legare corect` la mas`, esen\iale [n aplica\iile de semnal foarte mic, s` fie destul de dificile. O discu\ie detaliat` a lor o pute\i g`si [n nota de aplica\ii AN-202 "An IC amplifier user's guide to decoupling, grounding and making things go right for a change" editat` de Analog Devices. Anexa 2 Circuite digitale A. Programe de calculator (software) pentru simularea circuitelor digitale Digital Works Version 2.0 Copyright by David John Barker, 1997, Programul este gratuit. Pute\i construi circuite cu por\i, bistabile ]i memorii. Starea logic` poate fi urm`rit` cu LED-uri, afi]oare alfanumerice dar nu se poate ob\ine diagrama semnalelor. Digital Simulator 1.1 Copyright by Ara Knaian, 1994, Programul este oferit shareware. Are acelea]i posibilit`\i ca ]i programul anterior; [n plus, ave\i un analizor logic cu care pute\i vizualiza diagrama semnalelor selectate. EasySim Logic Simulator Copyright by Research Systems Pty, Ltd., 1994, versiune de test, utilizabil` legal dou` luni. Ave\i la dispozi\ie por\i ]i bistabile. Nu se poate ob\ine diagrama semnalelor, [n schimb culoarea conductoarelor se schimb` dup` starea logic` [n care sse g`sesc. Circuit Maker, varianta pentru studen\i Copyright by Microcode Engineering, Oferit` gratuit pentru utilizarea de c`tre studen\i. Spre deosebire de programele anterioare, acesta este unul profesional. El are o bibliotec` ce con\ine majoritatea circuitelor digitale integrate, ]i CMOS, oferite ast`zi de fabrican\i. Exist` ]i posibilitatea unor simul`ri mixte, cu dispozitive analogice ]i dispozitive digitale.

4 434 Electronic` - Manualul studentului B. Por\i logice Func\ia logic` Simbol Reprezantarea [n logic` negativ` Nr. de intr`ri Nr. de por\i pe capsul` 74xx CMOS seria 4000B }I (AND) }I (AND) }I (AND) }I NEGAT (NAND) }I NEGAT (NAND) }I NEGAT (NAND) }I NEGAT (NAND) SAU (OR) SAU (OR) SAU (OR) SAU NEGAT (NOR) SAU NEGAT (NOR) SAU NEGAT (NOR) INVERSOR /4049 INVERSOR REPETOR (BUFFER) REPETOR (BUFFER) / /74244 C. Circuite bistabile (flip-flop) Seriile 74xx 7473 Dou` bistabile JK master-slave pe capsul`, comutabile pe frontul descendent, intrare prioritar` de ]tergere, activ` [n LOW.

5 Anexe Dou` bistabile JK master-slave, comutabile pe frontul descendent, intr`ri prioritare de scriere ]i ]tergere, activexc [n LOW Dou` bistabile D sincronizate pe frontul ascendent, intr`ri prioritare de scriere ]i ]tergere, active [n LOW Dou` bistabile JK sincronizate pe frontul descendent, intr`ri prioritare de scriere ]i ]tergere, active [n LOW Dou` bistabile JK sincronizate pe frontul asscendent, intr`ri prioritare de scriere ]i ]tergere, active [n LOW; aten\ie, intrarea K este negat` Seria Dou` bistabile D sincronizate pe frontul ascendent, intr`ri prioritare de scriere ]i ]tergere, active [n HIGH Dou` bistabile JK sincronizate pe frontul ascendent, intr`ri prioritare de scriere ]i ]tergere, active [n HIGH. D. Interconectarea familiilor digitale Exist` multe situa\ii [n care trebuie s` interconect`m circuite logice din familii diferite. Trei aspecte produc dificult`\i la efectuarea acestei interconect`ri: tensiunea de alimentare, incompatibilitatea nivelurilor logice la intrare ]i posibilit`\ile ie]irilor de a manipula curen\i. NMOS NMOS HCT ACT 74C/4000B (5 V) HC(T) AC(T) NMOS 74C/4000B (5 V) a) e) NMOS 4.7 k HC AC 74C/4000B (5 V) V DD logica LTC1045 la 5 V 74C/4000B (>5 V) NMOS b) HCT ACT c) HC AC 74C/4000B (5 V) HC(T) HC(T) NMOS AC(T) AC(T) 74C/4000B (5 V) logica la 5 V "open colector) * 74C/4000B (>5 V) f) g) +V DD +V DD 4049/ LTC C/4000B (>5 V) logica la 5 V d) h) Fig. A2.1.

6 436 Electronic` - Manualul studentului {n Fig. A2.1, desenele a) - e) se refer` la familii logice alimentate la aceea]i tensiune de. Ie]irile coboar` aproape de nivelul masei [n stare LOW ]i pot absorbi curen\i importan\i. Din p`cate, [n starea HIGH ie]irea nu urc` dec[t p[n` la aproape +3.5V. Din acest motiv, a]a cum se vede [n desenul a), o poart` poate comanda alt circuit, un circuit NMOS ]i circuitele CMOS din familiile HCT ]i ACT (ultimele dou`, special proiectate pentru a putea fi comandate cu por\i ). Circuitele CMOS din seriile HC, AC, 74C ]i 4000B au pragul de comutare mai sus ]i ie]irea por\ii trebuie ajutat` cu un rezistor legat la tensiunea de alimentare, a]a cum se vede [n desenul b); viteza de cre]tere a poten\ialului ie]irii este [ns` mic]orat` deoarece "ridicarea"poten\ialului este f`cut` pe ultima por\iune cu un rezistor ]i nu cu un tranzistor. O solu\ie mai bun` (desenul c) este intercalarea [ntre cele dou` por\i a unui repetor din familiile HCT sau ACT care poate fi comandat direct de poarta ]i, fiind un circuit CMOS, comand` direct poarta CMOS. O alt` solu\ie, mai elegant`, pentru rezolvarea dificulta\ii legat` de nivelurile logice diferite ale familiei ]i familiilor CMOS HC/AC este alimentarea famililiilor CMOS HC/AC la o tensiune de numai +3.3 V. {n acest fel, cele dou` tipuri de circuite se pot comanda unele pe altele f`r` probleme. A]a cum se vede [n desenul d), por\ile CMOS din seriile HC, AC, precum ]i variantele lor HCT ]i ACT, (care au intr`ri compatibile ) pot comanda direct por\i, por\i HC(T), AC(T) dar ]i circuite NMOS ]i circuite CMOS din seriile 74C ]i 4000B, atunci c[nd acestea din urm` sunt alimentate la. }i por\ile 74C ]i 4000B (alimentate la 5 V) pot comanda acelea]i tipuri de circuite, cu o excep\ie (desenul e): datorit` curentului mic de ie]ire (0.5 ma) ele nu pot comanda seria standard iar comanda seriilor moderne este nesigur`. Uneori trebuie s` interconect`m circuite logice alimentate la tensiuni diferite. C[nd avem circuite CMOS din seriile 74C sau 4000B alimentate la mai mult de 5 V ]i ele trebuie comandate cu o logic` alimentat` la 5 V (desenul f), cea mai bun` solu\ie este intercalarea unui translator de nivel (de exemplu 40109, sau LTC 1045). Este adev`rat c` aceste translatoare sunt lente dar asta nu prea conteaz` deoarece ]i circuitele 74C/4000B, care sunt comandate, sunt lente. O alt` solu\ie (desenul g) este utilizarea, pentru logica alimentat` la 5 V, a unor circuite "open colector"; [n acest caz, interconectarea poate fi f`cut` direct, f`r` a omite rezistorul care "trage [n sus" poten\ialul. Situa\ia invers`, c[nd circuite 74C/4000B alimentate la mai mult de 5 V trebuie s` comande circuite logice alimentate la, se rezolv`, de asemenea, prin utilizarea unui translator de nivel, ca [n desenul h). Chiar dac` incompatibilit`\ile statice au fost rezolvate prin metodele discutate mai sus, ne putem [nt[lni cu incompatibilit`\i dinamice. Astfel, dac` [ncerc`m s` comand`m intr`ri sensibile la fronturi ale familiilor HC(T) sau AC(T) (de exemplu intr`rile de ceas ale num`r`toarelor) cu ie]irile foarte lente ale familiilor 74C sau 4000B, pot ap`rea comport`ri ciudate. Se produc mai multe tranzi\ii pentru un singur front iar, [n unele situa\ii, num`r`torul refuz` pur ]i simplu s` numere. Un condensator de c[teva zeci de pf rezolv` de cele mai multe ori problema; uneori chiar capacitatea, [n jur de 50 pf, a sondei osciloscopului este suficient` pentru ca circuitul s` [nceap` s` func\ioneze. E. Comanda circuitelor digitale cu comutatoare mecanice 3.3 k {n cazul unei por\i, cea mai bun` solu\ie este cea din Fig. A2.2 a), deoarece contactul mecanic poate absorbi f`r` probleme curentul (de ordinul a 1 ma) necesar men\inerii intr`rii [n stare LOW. Dac` am utiliza pentru o configura\ie similar` celei din desenul b), a) b) Fig. A k CMOS

7 Anexe 437 rezisten\a ar trebui s` fie [n jur de 220 Ω, ceea ce ar necesita curen\i mari prin comutatorul adus [n conduc\ie; un alt dezavantaj ar fi o imunitate la zgomot mai redus`. Pentru circuitele CMOS se pot utiliza, la fel de bine, ambele configura\ii, prezentate deoarece intr`rile nu absorb curen\i iar pragul de comutare este pe la jum`tatea tensiunii de alimentare; [n cazul lor este suficient` o rezisten\` de 10 kω sau chiar mai mare. A]a cum se vede [n Fig. A2.3, un comutator mecanic ezit`, [nchiz[ndu-se ]i deschiz[ndu-se de multe ori [ntr-un interval de aproximativ 1 ms ce urmeaz` ac\ion`rii lui (switch bouncing). Pentru comutatoare mari, durata acestui interval poate ajunge p[n` la 50 ms; aceste pulsuri repetate provoac` tranzi\ii nedorite atunci c[nd sunt aplicate unor circuite sensibile la fronturi. {n aceast` situa\ie, devine necesar` eliminarea pulsurilor parazite (debouncing); HIGH pentru aceasta, se pot aplica mai multe metode. prag a) Un bistabil RS asincron, realizat cu LOW dou` por\i, ca [n Fig. A2.4. b) Utilizarea unui asemenea bistabil [n varianta integrat`: 74279, 4043 sau c) Folosirea unui circuit RC de integrare, Fig. A2.3 urmat de o poart` cu histerezis (triger Schmitt), ca [n Fig. A2.5 a). Circuitul RC neteze]te forma de und`, astfel [nc[t poarta s` efectueze o singur` tranzi\ie. O constant` de timp de ms este suficient` pentru majoritatea cazurilor. Metoda este incomod` pentru circuite datorit` impedan\ei mici pe care trebuie s` o aib` circuitul de comand`, ceea ce conduce, pentru circuitul RC, la rezisten\e mici ]i capacit`\i mari. A Q B A B Q d) Utilizarea unui circuit specializat pentru aceast` func\ie (4490 cu ]ase dispozitive pe capsul`) care efectueaz` o filtrare trece-jos digital`, ajustabil` de c`tre utilizator. e) Folosirea unei por\i neinversoare cu reac\ie ie]ire-intrare, ca [n Fig. A2.5 b). {n general, ie]irea unei por\i poate fi for\at`, f`r` pericol, la mas` sau la tensiunea de alimentare, numai pentru un interval de timp scurt. {n circuitul anterior, aceasta se [nt[mpl` numai pe o durat` determinat` de timpul de propagare, Fig. A2.4. +V DD 4.7k 100k 0.1µF a) b) Fig. A2.5.

8 438 Electronic` - Manualul studentului [ntruc[t ]i intrarea este for\at` simultan [n aceea]i stare, ceea ce determin` comutarea por\ii. F. Comanda circuitelor digitale cu amplificatoare opera\ionale ]i comparatoare Amplificatoarele opera\ionale, comparatoarele de tensiune ]i convertoarele analog-digitale sunt dispozitivele prin care semnalele analogice pot comanda circuitele digitale. {n Fig. A2.6 a) un comparator comand` direct o poart` ; cele mai multe comparatoare au un tranzistor de ie]ire npn [n configura\ie "open colector" ]i emitorul legat la mas`; astfel, este suficient` montarea unui rezistor care s` ridice poten\ialul [n starea HIGH. Aceea]i metod` poate fi aplicat` ]i pentru comanda circuitelor digitale CMOS. Aceast` metod` de comand` poate fi aplicat` ]i atunci c[nd comparatorul este alimentat de la o singur` surs` de alimentare, pozitiv` fa\` de mas` (nu diferen\ial); multe comparatoare (311, 339, 393 sau 372/4) pot fi utilizate chiar la tensiunea de + 5 V. +15 V 3.3 k +15 V 3.3 k AO LM311, 393, etc. -15 V +15 V a) -15 V d) AO 10 k CMOS +15 V AO 2.2 k -15 V AO +15 V b) 10 k 3.3 k -15 V e) -15 V c) Fig. A2.6.

9 Anexe 439 {n circuitul din desenul b) un amplificator opera\ional, alimentat diferen\ial, comand` intrarea unei por\i CMOS. Excursia poten\ialul intr`rii este limitat` de diodele de protec\ie ale circuitului CMOS [n intervalul 0 V V DD iar rezistorul are rolul de limitare al curentului sub valoarea periculoas` de 10 ma. Aceast` metod` nu poate fi aplicat` pentru o poart` ; [n acest caz trebuie s` utiliz`m un tranzistor, ca [n desenul c). Dioda are rolul de a nu permite bazei tranzistorului s` coboare sub -0.6 V, deoarece pe la - 6 V jonc\iunea baz`-emitor s-ar str`punge invers. Putem face economie de componente dac` [nlocuim tranzistorul bipolar cu unul NMOS av[nd canal indus (desenul d). Ultimul dintre circuite (desenul e) nu este extraordinar ca performan\e dar fun\ioneaz`: dioda [mpiedic` intrarea por\ii s` urce mai sus de +5.6 V [n starea HIGH iar rezisten\a trebuie s` asigure, c[nd ie]irea amplificatorului opera\ional este la c[t[va vol\i sub nivelul masei, absorb\ia dinspre intrarea por\ii a unui curent suficient de mare ([n jur de 1 ma). Nu [ncerca\i s` utiliza\i circuitele de interfa\` discutate pentru intr`rile de ceas: durata tranzi\iei este prea mare ]i pute\i avea surprize nepl`cute. Dac` trebuie, totu]i, s` excita\i astfel de intr`ri, intercala\i o poart` (sau alt circuit logic) cu intrare cu triger Schmitt. G. Comanda sarcinilor externe cu circuite ]i CMOS Adesea trebuie s` comand`m digital (aprins/stins) dispozitive externe ca becuri cu incandescen\`, diode luminescente (LED-uri), relee electromagnetice sau afi]oare (display-uri). {n Fig. A2.7 sunt reprezentate c[teva metode. {n desenul a) g`si\i metoda standard pentru comanda LED-urilor de la logica de 5 V. Pentru, LED-ul trebuie aprins pe starea LOW a ie]irii, prin conectarea la a rezisten\ei de limitare a curentului. Spre doesebire de circuitele, circuitele CMOS pot aprinde LED-ul ]i pe starea HIGH, dac` rezistorul de limitare este legat la mas`. Fac excep\ie familiile 74C ]i 4000B, al c`ror curent de ie]ire este, uzual, insuficient pentru acest scop. {n acest caz, trebuie utilizate repetoare de putere, cum este 4050 (]ase repetoare pe capsul`), care absoarbe 5 ma la tensiunea de alimentare de ]i 50 ma la tensiunea de alimentare de +10 V. Alte repetoare, ca 40107, au posibiltatea s` absoarb` curen\i ]i mai mari. {n desenul b) o poart` logic` comand` [nf`]urarea unui releu de tensiune mic`, ce poate func\iona la numai 5 V. Prezen\a diodei este indispensabil` pentru "retezarea" v[rfurilor de tensiune ap`rute prin autoinduc\ie la [ntreruperea curentului prin bobin`. Atunci c[nd tensiunea de alimentarea a releului este mai mare, pute\i utiliza o poart` "open colector", ca [n desenul c). Trebuie notat c`, [n ambele situa\ii, releul este anclan]at [n starea LOW. Atunci c[nd ave\i nevoie de tensiuni ]i curen\i mai mari, pute\i utiliza por\i open colector speciale (desenul d), cum este (dual peripheral driver), care func\ioneaz` p[n` la 300 ma ]i 30 V. Dac` nici aceste performan\e nu sunt suficiente, atunci apela\i la un tranzstor NMOS de putere ]i tensiune mare, ca [n desenul e). C[nd poarta de comand` este una, nu uita\i s` monta\i un rezistor pentru ridicarea poten\ialului [n starea HIGH (pull-up). {n desenul f) o poart` comand` un tranzistor npn; dac` este nevoie de un curent mai mare prin sarcin`, se pot utiliza dou` tranzistoare, ca [n desenul g). Desenele h) ]i i) rezolv` acelea]i situa\ii, c[nd trebuie legat` cu un cap`t la alimentarea negativ`. C[nd comandat` trebuie separat` galvanic de circuitul de comand`, solu\ia este utilizarea unui optocuplor, ca [n desenul j). Curentul produs [n fototranzistor este practic egal cu cel care este trimis prin dioda luminescent`. De multe ori, semnalul logic trebuie s` comande alimentarea unei sarcini cu tensiunea alternativ` a re\elei de distribu\ie (220V ef, 50 Hz, [n Europa). Cea mai elegant` solu\ie (desenul k) este utilizarea unui dispozitiv numit "solid state-relay", oferit de produc`torii de dispozitive semiconductoare. El const` dintr-un un triac comandat printr-un optocuplor. Atunci c[nd dioda luminescent` este aprins`, circuitul de comand` amorseaz` triacul pe fiecare semialternan\`, astfel [nc[t el este echivalent practic cu un scurtcircuit. Aceste relee sunt disponibile pentru sarcini care utilizeaz` curen\i p[na la 40 A.

10 440 Electronic` - Manualul studentului HC(T) AC(T) 220 Ω LED HC(T) AC(T) releu 5 V OC +12 V 1/4 74LS26 * releu 12 V OC 1/ a) b) c) d) V 300 ma * numai pt V 1k +30 V +30 V CMOS sau + rezistor VN2010L HC(T) AC(T) 1k sau CMOS 220 Ω e) f) g) HC(T) AC(T) 220 Ω sau CMOS 100 Ω -30 V -30 V h) i) + V CC 4N36 + V CC Ω 2.2 k j) Fig. A2.7. k) ~ 220 V ef 50 Hz

11 Bibliografie 441 Bibliografie 1. Paul Horowitz ]i Winfield Hill, "The Art of Electronics", edi\ia a II-a, Cambridge University Press, Thomas Hayes ]i Paul Horowitz "Student Manual for The Art of Electronics", Cambridge University Press, Paul Gray ]i Campbell Searle, "Bazele electronicii moderne", vol. I ]i II, Editura Tehnic`, Bucure]ti, 1973, dup` edi\ia original` John Wiley & Sons, Paul Gray ]i Robert Meyer, "Circuite integrate analogice - Analiz` ]i proiectare", Editura Tehnic`, Bucure]ti, 1983, dup` edi\ia original` John Wiley & Sons, B. B`rbat, Ion Presur` ]i Tudor T`n`sescu, "Amplificatoare de audiofrecven\`", Ed. Tehnic`, Bucure]ti, G. B`jeu ]i Gh. Stancu, "Generatoare de audiufrecven\`", Ed. Tehnic`, Bucure]ti. 7. M. Bodea ]i A. V`t`]escu (coordonatori), "Circuite integrate liniare - Manual de utilizare, vol. I-IV", Ed. Tehnic`, Bucure]ti, Gh. Mitrofan, "Generatoare de impulsuri ]i de tensiune liniar variabil`", Ed. Tehnic`, Bucure]ti, J.G. Graeme and G. Tobey, "Operatioal amplifiers, Design and applications", McGraw Hill, I. Aurelian, H. Giuroiu ]i L. L. Petrescu, "Circuite integrate CMOS - Manual de utilizare", Ed. Tehnic`, Bucure]ti, Mihai P. Dinc`, "Introducere [n Electronic`", Universitatea din Bucure]ti, Departamentul CREDIS, Bucure]ti, Bob Zulinski, Michigan Technological University, "Introduction to Electronics" ]i "Electronic Applications", gratuit de la Tot de pe Internet pute\i aduce gratuit seria de manuale "Lesson in Electric Circuits" de la Multe leg`turi la foi de catalog g`si\i la iar la ave\i o colec\ie de foi de catalog ]i note de aplica\ii, cu motor de cùtare. O list` impresionant` de adrese precum ]i alte lucruri utile v` stau la dispozi\ie la Dac` nici acolo nu g`si\i ceea ce cùta\i, [ncerca\i motorul de cùtare Mai multe lucruri despre cum s` folosi\i programul Circuit Maker pute\i afla din Manualul de utilizare pentru versiunea 2000, disponibil la