30. Динамические параметры оу

Свое название операционный усилитель (ОУ) получил от способности выполнять различные операции над сигналами с помощью пассивных цепей отрицательной обратной связи.

Схемотехнически ОУ в основном выполняется по схеме усилителя постоянного тока с дифференциальным каскадом на входе и двухтактным – на выходе, обеспечивающим малое выходное сопротивление.

Для современных интегральных ОУ характерны две структурные схемы: трехкаскадная и двухкаскадная. Трехкаскадная модель, разработанная в 60-х гг. прошлого столетия, состояла из входного дифференциального усилителя, работающего в режиме микротоков (десятки микроампер), промежуточного усилителя напряжения и компенсации напряжения сдвига и выходного усилителя, определяющего нагрузочную способность ОУ и не участвующего в формировании его коэффициента усиления.

Двухкаскадный ОУ разработан несколько позже после реализации на одной подложке высококачественных интегральных транзисторов разной проводимости. В таком ОУ первый каскад выполняет функции входного ДУ и малосигнального усилителя напряжения. Каскад сдвига уровня в такой схеме ОУ не нужен, так как выходные сигналы первого каскада, построенного по специальной схеме, находятся практически под нулевыми потенциалами. Второй каскад выполняет функции усилителя напряжения, работающего в режиме больших сигналов (близких по амплитуде к величине напряжения питания) и эмиттерного повторителя.

Таким образом, ОУ – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к «идеальному усилителю» для которого характерно:

• бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (А),

• бесконечно большое полное входное сопротивление (Z_вх),

• нулевое полное выходное сопротивление (Z_вх0),

• равенство нулю выходного напряжения (U_вых = 0) при равных напряжениях на входах (U_вх1 = U_вх2),

• бесконечно широкая полоса пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено в полной мере, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Условное изображение усилителя приведено на рис.10.6.

Рис.10.6. Условное обозначение операционного усилителя

Если в ОУ неинвертирующий вход заземлен и сигнал подан на инвертирующий вход, то сигнал на выходе относительно входного сигнала будет сдвинутым по фазе на 180.

Если же инвертирующий вход заземлен, а сигнал подан на неинвертирующий вход, то выходной сигнал будет совпадать по фазе с входным.

30. (Ачх) и (фчх) характеристики одного каскада оу

В ОУ отдельные его каскады соединяются между собой непосредственно, и поэтому его АЧХ не имеет спада на нижних частотах. С увеличением же частоты усиливаемого сигнала наблюдается падение коэффициента усиления ОУ. Это объясняется наличием в интегральном ОУ распределенных паразитных емкостей, которые закорачивают высокочастотные сигналы на землю все более и более по мере роста их частоты.

При рассмотрении этого вопроса, распределенные паразитные емкости удобно сводить к одной, емкость которой является суммой всех паразитных емкостей в схеме.

Любой многокаскадный усилитель на высоких частотах можно представить в виде ряда генераторов сигнала KU_вх, нагруженных на соответствующие эквивалентные интегрирующие RC-цепи. Количество таких цепей равно числу отдельных каскадов усиления.

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики одного такого каскада описываются следующими выражениями:

,

.

Если выполняется обычное для ОУ неравенство R_н >>R_вых, то .

Графическая зависимость от частоты модуля коэффициента передачи напряжения и сдвига фазы выходного сигнала относительно входного для одного каскада ОУ приведена на рис. 10.12.

Рис. 10.12. АЧХ и ФЧХ

одного каскада ОУ

АЧХ и ФЧХ усилителя обычно стоят в лога-рифмическом масштабе. На частоте f_гр, где резистивное и емкостное сопротивления равны аппроксимированная АЧХ претерпевает излом. На частоте излома усиление усилителя падает на 3 дБ. Начиная с f_гр при увеличении частоты в 10 раз (на декаду) во сколько же раз (т. е. на 20 дБ) уменьшается коэф-фициент усиления по напряжения каскада. Таким образом скорость спада АЧХ за частотой излома составляет –20 дБ/дек или –6 дБ/октаву (октаве соответствует изменение частоты в два раза).

Фазо-частотная характеристика аппроксимируется тремя отрезками прямых, причем наклон второго отрезка прямой составляет – 45/дек, а сопряжение асимптот происходит на частотах 0,1 f_гр и 10 f_гр при максимальной погрешности аппроксимации 5,7. На частоте f_гр отставание фазы выходного сигнала по отношению ко входному составляет 45. На частоте f_т усиление усилителя уменьшается до 0 дБ или единицы, а фазовый сдвиг достигает –90.

30. RS-ТРИГГЕРЫ

Асинхронный RS-триггер. В простейшем исполнении триггер это симметричная структура из двух логических элементов ИЛИ–НЕ либо И–НЕ, охваченных перекрестной положительной обратной связью. Схема триггера на элементах ИЛИ–НЕ и его условное обозначение на электрических схемах приведены на рис. 6.1.

а б

Рис. 6.1. Асинхронный RS-триггер на элементах ИЛИ–НЕ: а – логическая структура; б – условное обозначение

Этот триггер (бистабильная ячейка) обладает двумя устойчивыми состояниями, которые обеспечиваются за счет положительной обратной связи выхода каждого элемента с одним из входов другого. Свободные входы служат для управления и называются информацион-ными или логическими. Одному из выходов присвоено наименование прямого, его обозначают символом Q, а другому – наименование инверсного выхода и его обозначают, соответственно, символом .

Вход, по которому триггер устанавливается в единичное состояние (Q = 1, = 0), называют входом S (от английского Set – установка), а в нулевое (Q = 0, = 1) – входом R (reset – возврат).

Работа триггера характеризуется таблицей переходов состояний (табл. 6.1), из которой следует, что на двух наборах переменных (Sⁿ = Rⁿ = 1, Qⁿ = 0 и S ⁿ= Rⁿ = 1 и Qⁿ = 1) его состояние не определено. Карта Карно для нахождения логической функции переходов RS-триггера приведена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Карта Карно функции переходов RS-триггера

Таблица 6.1

Такт tn			Такт tn+1
Rn	Sn	Qn	Qn+1
0 0 1 1 0 0 1 1	0 1 0 1 0 1 0 1	0 0 0 0 1 1 1 1	0 1 0 – 1 1 0 –

Доопределив карту единицами на запрещенных наборах и применив правила минимизации, получим

.

Возможны следующие состояния триггера, в зависимости от комбинации входных сигналов:

• Sⁿ , Rⁿ = 0, сигнал на выходе может быть Qⁿ⁺¹ = 1 или Qⁿ⁺¹ = 0, что соответствует нейтральному состоянию (режим хранения информации);

• Sⁿ = 1, Rⁿ = 0, Qⁿ⁺¹ = 1 – установка триггера в единичное состояние;

• Sⁿ = 0, Rⁿ = 1, Qⁿ⁺¹ = 0 – установка в нулевое состояние;

• Sⁿ = 1, Rⁿ = 1 – состояние не определено. Если затем входная комбинация станет Sⁿ = 0, Rⁿ = 0, то триггер с равной вероятностью может установиться или в нулевое, или в единичное состояние, поэтому входная комбинация Sⁿ = 1, Rⁿ = 1 недопустима.

Минимизированная таблица состояний RS-триггера и его временная диаграмма имеют вид (рис. 6.3):

Такт tn		Такт tn+1
Rn	Sn	Qn+1
0 0 1 1	0 1 0 1	Qn 1 0 н/о

Рис. 6.3. Минимизированная таблица состояний RS-триггера и его временная диаграмма работы

При синтезе устройств на триггерах возникает задача определения требуемых входных комбинаций для перехода триггера из одного (заданного) состояния Qⁿ в другое (требуемое) Qⁿ⁺¹.

Эту задачу удобно решать с помощью таблицы, называемой матрицей переходов.

Рассмотрим функцию переходов RS-триггера для всех возможных изменений его выхода Qⁿ  Qⁿ⁺¹:

0  0; 0  1; 1  0; 1  1.

С учетом этого, получим систему уравнений

.

Таблица 6.2

Qn  Qn+1		Rn	Sn
0 0 1 1	0 1 0 1	* 0 1 0	0 1 0 *

Примечание. Звездочка (*) означает, что значение сигнала может быть любым (нулем или единицей)

Результаты анализа этих уравнений позволяют составить матрицу переходов RS-триггера (табл. 6.2). Матрица переходов позволяет найти такие сочетания входных сигналов R и S, которые обеспечивают требуемое состояние триггера при переходе из такта n в такт (n + 1) с учетом его предыдущего состояния .

Если RS-триггер выполнить на элементах И–НЕ, то получим схему, приведенную на рис. 6.4.

Sn	Rn	Qn+1
0 0 1 1	0 1 0 1	н/о 1 0 Qn

Рис.6.4. RS-триггер на элементах И–НЕ, его условное обозначение и таблица состояний

Такой вариант триггера называют -триггером или RS-триггером с инверсным управлением.

Синхронный RS-триггер. Известно, что из-за задержек переключения логических элементов могут возникнуть ложные состояния. Устранить это помогает временное стробирование. Временное стробирование обеспечивается синхронизирующими (тактовыми) импульсами, поэтому в синхронном RS-триггере кроме информационных входов R и S имеется вход C, на который подается синхронизирующий сигнал (рис. 6.5).

Такой триггер функционирует как RS-триггер только при условии наличия синхронизирующих сигналов. В противном случае, т.е. при отсутствии синхронизирующих сигналов, состояние его сохраняется неизменным Qⁿ⁺¹ = Qⁿ , какие бы сигналы ни подавались на информационные входы, причем возможна подача сочетания R=S=1 (или R=S=0 для триггера с инверсными входами).

Рис.6.5. Синхронный RS-триггер с прямыми статическими входами на элементах И-НЕ и его условное обозначение

Специфика синхронных триггеров со статическим управлением по входу синхронизации такова, что в течение времени действия тактового сигнала, смена сигналов на информационных входах вызывает новые срабатывания триггера. Следовательно, синхронные триггеры со статическим управлением при активном состоянии тактового входа ведут себя подобно асинхронным. Во многих случаях это свойство является недостатком, так как может оказаться причиной сбоев в цифровых устройствах.

От этого свободны триггеры с динамическим и двух ступенчатым управлением. Триггеры с динамическим управлением в зависимости от схемы исполнения реагируют на перепад напряжения от нуля к единице, либо от единицы к нулю. Таким образом, сигналы, поступающие на динамический вход, воспринимаются только в те моменты времени, когда их состояние изменяется определенным образом.

На рис. 6.6. приведено условное обозначение двух вариантов синхронных RS-триггеров с динамическими входами синхронизации.

а б

Рис. 6.6. Условное обозначение синхронных RS-триггеров: a – тактирование перепадом напряжения 0 1; б – тактирование перепадом напряжения 1 0

Двухступенчатые же триггеры содержат первую ступень для промежуточ-ной записи входной ин- информации и вторую – для ее последующего запо- минания и хранения. У двухступенчатых триггеров формирование нового сос- тояния происходит за два такта, поэтому их иногда называют двухтактными.

Функциональные свойства всей триггерной системы определяются первой ступенью, вторая ступень обычно представляет собой синхронный RS-триггер со статическим управлением.

30. D-ТРИГГЕРЫ, T-ТРИГГЕРЫ

Функциональная особенность триггеров этого типа состоит в том, что сигнал на выходе Q в такте (n+1) равен значению сигнала на входе D в предыдущем такте n. Другими словами, D-триггер задерживает на один такт информацию, существовавшую на входе D. Триггер принял свое название от первой буквы английского слова delay – задержка. Логическое уравнение D-триггера имеет вид:

.

Таблица 6.3

C	Dn	Qn	Qn+1
0 0 0 0 1 1 1 1	0 0 1 1 0 0 1 1	0 1 0 1 0 1 0 1	0 1 0 1 0 0 1 1

Асинхронный D-триггер не имеет смысла, так как его выход просто повторяет входной сигнал после окончания переходного процесса, поэтому все реальные D-триггеры выполняются тактируемыми и функционируют в соответствии с табл. 6.3. Смена состояний триггера происходит под действием тактового импульса (С=1), т. е. хранение информации в D-триггере обеспечивается цепями синхронизации. Управление по входу тактирования может быть статическим, динамическим, а также двухступенчатым.

Таблица 6.4

Qn  Qn+1		Dn
0 0 1 1	0 1 0 1	0 1 0 1

Матрица переходов D-триггера приведена в (табл. 6.4).

Структурная логическая схема простейшего D-триггера со статичес-кими входами, выполненного на ЛЭ И-НЕ, и его условное обозначение представлены на рис.6.7.

б а

Рис.6.7. Пример D-триггера со статическим управлением уровнем С = 1 – а и его обозначение – б

T-ТРИГГЕРЫ

Триггер Т -типа, или счетный триггер является основой всех пересчетных схем и имеет один информационный Т-вход. Смена состояния такого триггера на противоположное происходит всякий раз, когда входной сигнал меняет свое значение в определенном направлении. В зависимости от того, какой перепад напряжения используется для управления (от нуля к единице или от единицы к нулю), различают счетные триггеры с прямым (Т-триггеры) или инверсным ( -триггеры) динамическим управлением.

По способу ввода входной информации Т-триггеры могут быть асинхронными и синхронными.

Уравнение Т-триггера имеет вид

.

Таблица 6.5

Т-триггер					-триггер
Тn				Qn+1	Qn+1
0				Qn	Qn
					Qn
				Qn
1				Qn	Qn

Порядок смены состояний Т и -триггеров приведен в табл. 6.5, а их временные диаграммы работы на рис. 6.8.Особенностью Т-триггера явля-ется в два раза меньшая часто-та выходных сигналов по срав-нению с частотой сигналов на входе. Это позволяет использо-вать его в качестве делителя частоты последовательности импульсов на два, а также при создании двоичных счетчиков.

а б

Рис. 6.8. Таблица состояний Т-триггеров и временные диаграммы их работы: а – Т-триггера; б – -триггера

Счетные триггеры как самостоятельные микроэлектронные изделия не выпускаются промышленно, так как их легко получить из других типов триггеров, например из D-триггеров (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Реализация счетного триггера на основе D-триггера

Счетные триггеры со стати-ческим управлением во время действия входного импульса проявляют склонность к генера-ции, и практической реализации не нашли