Аналоговое применение цифровых микросхем

Логические микросхемы, как правило, предназначены только для работы в «цифровой» технике, допускающей лишь два вида сигналов: логический нуль и логическую единицу. Такие устройства большей частью не требуют индивидуальной подборки элементов схемы и работают более надежно.

В то же время большой практический интерес представляют схемные решения, позволяющие применить «цифровые» микросхемы в аналоговой технике. Такой подход расширяет наши представления о возможном и невозможном в мире электроники, заставляет более продуктивно работать фантазию. Открывается широкое поле для экспериментов, творчества, совершенствования своих познаний в области радиоэлектроники.

Особенно перспективно использование в «аналоговом» режиме «цифровых» микросхем серий КМОП. Они выполнены на полевых транзисторах, имеют высокое входное сопротивление, экономичны и неприхотливы к напряжению питания: могут работать в широком его диапазоне. Недостаток микросхем этой серии — низкие рабочие частоты (для микросхем серии К561 обычно не выше 1 ...3 МГц).

На рис. 29.1 — 29.3 показаны довольно простые УНЧ. Усилитель (рис. 29.1) при напряжении питания 9 В и R2=1 кОм имеет параметры, приведенные в таблице 29.1 [F 8/82-381].

Таблица 29.1

При разных значениях питающего напряжения +Е и R1=1 МОм, R2=0 кОм параметры усилителя (рис. 29.1) изменяются (см. табл. 29.2).

Таблица 29.2

Рис. 29.1. Схема усилителя

Рис. 29.2. Схема усилителя

Телефонный усилитель (рис. 29.2) на основе последовательного включения трех таких каскадов имеет усиление порядка 86 дБ в полосе частот 600... 1400 Гц (напряжение питания 9 В, потребляемый ток 2 мА).

Для усилителя (рис. 29.3) коэффициент усиления определяется отношением R2 к R1 и для указанных на схеме номиналов равен 100 [В.Л. Шило]. Выходное напряжение может достигать 90% от напряжения питания: при напряжении питания 9 В напряжение переменного тока на выходе усилителя достигает 8 В. Число логических элементов для реализации режима усиления должно быть нечетным: 1, 3, 5 и т.д. Четное число логических элементов в устройстве образует генератор. Поэтому схемное решение с переключаемым числом логических элементов можно использовать, например, при организации проводной связи для перевода устройства из режима усиления в режим вызова абонента.

Рис. 29.3. Схема усилителя

Рис. 29.4. Схема фильтра

На рис. 29.4 приведен пример использования КМОП-микросхемы в качестве узкополосного НЧ фильтра [Fs 8/79-134]. Рабочая частота фильтра определяется как f=1/2nRC, где R и С — параметры резисторов и конденсаторов. Добротностью фильтра (крутизной, остротой спада или подъема сигнала от частоты) можно управлять, перестраивая потенциометр R3.

На основе нескольких подобных фильтров, настроенных на разные частоты, может быть собрано устройство цветомузыкаль-ного сопровождения. Для этого достаточно на выходе фильтров включить простейшие усилители постоянного (или переменного) тока, нагруженные на светоизлучающие приборы (светодиоды, лампы накаливания). Выделенные фильтрами низкочастотные сигналы можно также через согласующие каскады подавать на управляющие электроды тиристоров или симисторов. Питают тиристоры пульсирующим током, симисторы — переменным.

Устройство конструкции ИЛ. Нечаева (рис. 29.5) можно использовать в качестве индикатора низкочастотных сигналов, амплитуда которых превышает 2...3 В [Р 10/90-83]. При подаче на пробник такого сигнала он выпрямляется и поступает на цепь питания пробника. Одновременно выпрямленный сигнал управляет работой внутренних генераторов устройства: вырабатываются звуковые сигналы, свидетельствующие о наличии на его входе надпорогового напряжения переменного тока. Сила звука пропорциональна амплитуде тестируемого сигнала.

Рис. 29.5. Схема пробника

Рис. 29.6. Схема функционального генератора

На основе /ШО/7-микросхемы может быть собран функциональный генератор (рис. 29.6) [В.Л. Шило]. К таким генераторам относят устройства, вырабатывающие синхронно изменяющиеся во времени сигналы разной формы. Устройство вырабатывает сигналы прямоугольной формы (выход 1), треугольной формы (выход 2) и синусоидальный сигнал (выход 3).

На первых двух инверторах выполнен обычный генератор прямоугольных импульсов. Соотношение пауза — длительность импульса регулируется потенциометром R1. Следующий каскад является интегратором. На его выходе синтезируется сигнал, по форме приближающийся к треугольному. Форма этого сигнала регулируется в некоторых пределах потенциометром R6. Последний, четвертый инвертор микросхемы работает в режиме усиления (см. рис. 29.3). За счет неидеальности передачи сигнала треугольной формы (его сглаживания) на выходе усилителя форма сигнала приближается к синусоиде. Большую степень приближения к синусоиде можно получить после простейшего фильтра, выделяющего первую и подавляющего высшие гармоники.

Недостатком функциональных генераторов является сложность перестройки их по частоте, т.к. условия формирования сигналов необходимой формы с изменением частоты меняются, неизменным по форме остается только сигнал прямоугольной формы.

На базе логических элементов КМОП могут быть созданы и другие радиоэлектронные устройства, например, радиоприемник прямого усиления (рис. 29.7) [Р 6/82-51]. Радиоприемник способен работать в диапазоне длинных волн, и, с ухудшением чувствительности — в диапазоне средних волн. Чувствительность этого приемника, как и других приемников прямого усиления невысока.

Рис. 29.7. Схема радиоприемника

Входной каскад приемника выполнен на первом инверторе микросхемы. В качестве входного колебательного контура, определяющего частоту приема, могут быть использованы элементы входной цепи любого старого (транзисторного или лампового) радиоприемника, катушки индуктивности или магнитные антенны совместно с конденсатором переменной емкости, см. также главу 14. Для повышения громкости приема к колебательному контуру приемника рекомендуется подключить наружную антенну, а также заземление.

Выделенный входным колебательным контуром и усиленный первым каскадом сигнал поступает на амплитудный детектор, выполненный на диодах VD1 и VD2 по схеме удвоения напряжения. Далее сигнал низкой частоты выделяется на сопротивлении R2, а высокочастотная составляющая шунтируется «на землю» конденсатором С4. Сигнал звуковой частоты через конденсатор С5 поступает на трехкаскадный УНЧ. Выход УНЧ через разделительный конденсатор С8 нагружен на телефонный капсюль BF1. Звуковой сигнал может быть дополнительно усилен, если к выходу радиоприемника подключить внешний УНЧ (см. главу 4).

На основе логических элементов могут быть созданы и устройства, позволяющие осуществить переход от аналоговых сигналов к цифровым. Подобные устройства именуются формирователями импульсов и применяются для создания различного рода технических устройств, например, устройств голосового управления, для управления релейными схемами от источника звукового сигнала (радиоприемника, магнитофона, проигрывателя, телефонной линии и пр.).

Рис. 29.8. Схема формирователя импульсов

Формирователь импульсов (рис. 29.8) имеет высокую чувствительность [Рл 7/92-11]. При амплитуде аналогового сигнала на входе, превышающей 30 мВ, на выходе формируется сигнал прямоугольной формы с амплитудой, близкой к напряжению источника питания (9 В). Первый каскад устройства представляет собой усилитель-ограничитель импульсов. Ограничение импульсов по амплитуде происходит за счет использования включенных встречно-параллельно кремниевых диодов. Последующие каскады формируют выходной сигнал прямоугольной формы.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год