Логические устройства на операционных усилителях

Развитие микросхемотехники изменяет подход к проектированию полупроводниковых усилительных устройств. Раньше при создании усилителей на дискретных компонентах разработчики стремились найти наиболее простое решение устройств с учетом уменьшения числа активных компонентов схемы (диодов, транзисторов). Такой подход обеспечивал снижение стоимости устройства и его высокую надежность.

В настоящее время при разработке устройств на ИМС разработчик стремится использовать известные технические решения ИМС. Поэтому предприятия, выпускающие ИМС, стремятся к выпуску наиболее универсальных узлов, которые применялись бы в самых разнообразных устройствах, это обеспечивает увеличение выпуска данного типа ИМС и снижает их стоимость. Поэтому ИМС создаются не на основе наиболее простого решения, а наиболее совершенного, обладающего универсальными достоинствами. Применение таких ИМС оправдано и в тех случаях, если ряд их элементов в конкретном устройстве будут недоиспользованы.

Наиболее распространенной универсальной усилительной ИМС является операционный усилитель (ОУ).

 

 

В основном все элементы систем управления (СУ) электротехническими устройствами (преобразователями электроэнергии, электроприводом и т.д.) могут быть выполнены с использованием ОУ. Типовые схемами включения ОУ, которые могут быть использованы для этих целей, являются схемы инвертирующего и не инвертирующего усилителей, компаратора, сумматора и интегратора, представленные на рис.15.3, где также показаны их передаточные характеристики в статических режимах.

В общем случае зависимость выходных от входных параметров ОУ определяется пределами изменения напряжения источника питания (от + Е_П до - Е_П) и параметрами элементов подключенных к их входу и выходу.

Знак выходного напряжения в инвертирующем ОУ (рис.15.3, а) обратный знаку входного напряжения, что и является причиной наименования его инвертирующим усилителем, т.е. усилителем, изменяющим полярность усиливаемого сигнала. Функциональная зависимость входного и выходного напряжений описывается зависимостью

(15.1)

Зависимость входного и выходного напряжений не инвертирующего ОУ (рис.15.3, б)

(15.2)

ОУ с положительной обратной связью, имеющие релейную характеристику (рис.15.3, в), могут использоваться в качестве сравнивающих устройств (компараторов). При наличии на входе схемы положительного напряжения, равного или превышающего пороговое

тогда (15.3)

Если же напряжение на входе схемы отрицательное и равное или превышающее пороговое значение, т.е.

тогда (15.4)

Неоднозначность значений входного напряжения, при которых меняется полярность выходного напряжения, определяется зоной нечувствительности работы схемы, отраженной гистерезисной передаточной характеристикой (рис.15.3, в). Ширина гистерезисной петли зависит от величины сопротивления R_ОС.

При подключении на вход инвертирующего усилителя нескольких сигналов выходной сигнал его формируется как сумма этих сигналов. Поэтому схему, показанную на рис.15.3, г называют сумматором (суммирующим ОУ).

Зависимость выходного напряжения сумматора от входных сигналов определяется выражением

(15.5)

При включении в цепь обратной связи инвертирующего усилителя конденсатора С (рис.15.3, д) последний будет работать в режиме интегрирующего усилителя (интегратора). Выходное напряжение интегратора

(15.6)

Таким образом, на основе рассмотренных функциональных зависимостей выходных сигналов ОУ от входных, можно создавать устройства систем управления преобразователями – вторичными источниками электрической энергии.

 

15.4. Микропроцессоры

 

ИМС продолжают совершенствоваться в направлении уменьшения размеров содержащихся в них элементов (достигающих 0,1¸1 мкм), а, следовательно, повышения степени интеграции.

Самыми перспективными и сложными устройствами являются микропроцессоры.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной или нескольких ИМС с большой или сверхбольшой степенью интеграции.

 

Таким образом, МП является функционально законченным изделием, обладающим способностью выполнять по определенной программе, задаваемой управляющими сигналами, обработку информации, включая ввод и вывод информации, принятие решений, арифметические и логические операции. Работа МП основана на последовательном выполнении в арифметико-логическом устройстве ряда операций в соответствии с программой.

По функциям микропроцессоры приравнивают к ЭВМ.

Основную часть МП составляет арифметико-логическое устройство (АЛУ). Особенностью АЛУ является то, что под воздействием «устройства, управляющего действиями в нужной последовательности» или, иначе говоря, устройства управления (УУ), АЛУ может менять действия над числами. Порядок действий определяется программой, вводимой в УУ (рис.15.4).

 

Важными элементами являются устройство ввода и вывода чисел (УВВ) и запоминающее устройство (ЗУ). Как следует из названий, эти устройства предназначены для ввода исходных данных, вывода результатов и хранения промежуточных результатов.

Все вместе, рассмотренные элементы АЛУ, УУ, УВВ и ЗУ представляют собой микропроцессорное устройство (МПУ), способное автономно принимать, обрабатывать и передавать информацию (рисм.15.4).

УВВ, связывающее МПУ с внешними устройствами, обычно делят на две части: интерфейс и само внешнее или периферийное устройство.

 

ЭТО ВАЖНО. Интерфейс (средство сопряжения) предназначен для преобразования сигналов от МП в сигналы, воспринимаемые внешним устройством и наоборот. Часть интерфейса, непосредственно воспринимающая сигналы МП и передающая ему сигналы, называется портом УВВ.

В зависимости от того, какое устройство связывается с МП, интерфейсы могут разделяться как по принципу передачи информации, так и по ее виду.

Микропроцессоры в настоящее время нашли широкое применение при автоматическом управлении технологическими процессами, в контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуре, в космических аппаратах, на транспорте, в сельском хозяйстве и т.д.

 

ВЫВОДЫ. Таким образом, интегральные микросхемы и микропроцессоры составляют перспективу дальнейшего развития электроники. Они позволяют значительно уменьшить массогабаритные показатели и себестоимость, повысить КПД устройств автоматического управления, а также повысить их быстродействие и надежность.

Основное внимание проектировщиков в настоящее время направлено на повышение теплопередачи и уменьшения чувствительности интегральных схем к внешним магнитным полям.

 

 

Ведущий преподаватель ст.преподаватель _________Хамула А.А.

 

«____»______________20__г.