Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е]

• Название: Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е]
• Автор: Пауль Хоровиц
• Издательство: "Мир"
• Жанр: Радиотехника
• Год: 1993
• ISBN: 5-03-002954-0 (русск.); 5-03-002336-4; 0-521-37095-7 (англ.)

Широко известная читателю по предыдущим изданиям монография известных американских специалистов посвящена быстро развивающимся областям электроники. В ней приведены наиболее интересные технические решения, а также анализируются ошибки разработчиков аппаратуры: внимание читателя сосредотачивается на тонких аспектах проектирования и применения электронных схем.

На русском языке издается в трех томах. Том 3 содержит сведения о микропроцессорах, радиотехнических схемах, методах измерения и обработки сигналов, принципах конструирования аппаратуры и проектирования маломощных устройств, а также обширные приложения.

Для специалистов в области электроники, автоматики, вычислительной техники, а также студентов соответствующих специальностей вузов и техникумов.

---

Компаратор (U1c) представляет собой одно из трех звеньев усилителя U1 (а, b и с), которые функционируют постоянно, его смещение проводится через резистор R10 при общем токе приблизительно 9 мкА. Мы хотим включать источник питания, когда напряжение выходного сигнала усилителя U1a становится чуть ниже потенциала шины RFE6, при этом мы снимаем эталонное напряжение с резистора R6 делителя на входе усилителя U2, которое на 0,1 В ниже потенциала шины REF6. Выходной сигнал компаратора U1c переводит транзистор T1 в насыщение, что приводит к подключению источника питания +9 В, который обозначен как "+ 9SW" и который, следовательно, появляется всякий раз, когда включается лампа фотоувеличителя.

Источник тока (U1b) работает постоянно. Он реализован в виде стандартной структуры (см. разд. 4.07), состоящей из ОУ и p-n-p-транзистора, и выдает в конденсатор С5 ток 3,2 мкА, когда на его вход подается номинальное напряжение, которое на 0,66 В ниже потенциала шины REF6. Следует отметить, что одна из выгод от того, что сам фототок не используется непосредственно, связана с возможностью его масштабирования к удобному значению; в нашем случае при токе 3,2 мкА в конденсаторе с номиналом 0,1 мкФ (т. е. dU/dt = I/C = 32 В/с) в микросхеме 332 (в которой используется прецизионный источник эталонного напряжения для установки напряжения его точки запуска в 2 В) вырабатывается сигнал с частотой 16 Гц. «Шведский» стол из резисторов, конденсаторов и диодов, которые окружают схему 332, является неудачным, но «он» требуется для образования релаксационного генератора из этого не совсем удачного кристалла.

Состоящая из резистора 3,3 кОм и конденсатора 100 пФ цепь, подключенная к выходу схемы 332, это то, что мы посчитали необходимым сделать для лечения его генетических предрасположенностей, связанных с удвоением частоты переключений (сама схема 555 часто предлагает ту же самую проблему, с тем же методом лечения). Его выходной сигнал поступает на КМОП-делитель на 16, выходной сигнал которого — тикание с длительностью 1/16 с через 1-секундные интервалы — вызывает насыщение транзистора Т3  возбуждения пьезоэлектрической звуковой головки А1. Цепь R19-C8 обнуляет сам делитель в начале каждой экспозиции, так что первый сигнал появляется в конце первой «псевдосекунды».

Последняя секция (U1d) счетверенной схемы 346 используется в режиме компаратора как комбинированный индикатор «включения лампы» и «исправности батареи». Его ток покоя программируется отдельным резистором R24, следовательно, его напряжение питания появляется только после включения напряжения +9SW. Д4 - это высококачественный светодиод, который работает при токе 2 мА, и, таким образом светится, когда включается световая головка, при условии, что напряжение с делителя R22-R23 по крайней мере на 3,15 В (стабильное эталонное напряжение, обычно выдаваемое схемой 322) превышает отрицательный перепад напряжения питания. Это условие будет выполняться, если напряжение батареи составляет по крайней мере 7 В, т. е. она работоспособна.

Вследствие того, что производится выключение источника питания, только U1a-с и U2 работают постоянно, обеспечивая комбинированный ток потребления около 12 мкА. Когда элемент U1c ощущает фототок от световой головки, он включает напряжение +9SW, обеспечивая питанием схему 322 (2,5 мА), светодиод (2 мА) и пьезоэлектрическую звуковую головку (1/16 x 8 мА, т. е. средний ток 0,5 мА). Вычисленное время службы самой батареи составляет приблизительно 5 лет (или «долговечность») в состоянии покоя и 100 ч при функционировании. При среднем времени экспозиции 15 с — это обеспечит получение 24000 снимков.

При проектировании выбор ОУ 3440 был обусловлен его хорошей нагрузочной способностью и низким входным током при малом значении Iп. Мы выбрали ОУ 346 из-за его хороших общих характеристик в сочетании с низкой стоимостью при обычном счетверенном корпусе. Использование схемы 322 связано с наличием в ней внутреннего источника эталонного напряжения, что позволяет обойтись без стабилизированных источников питания (что потребовалось бы при использовании схем, аналогичных 555), когда его времязадающий конденсатор запитывается от внешнего тока, не зависящего от источника питания. Выход его источника эталонного напряжения дает прекрасную возможность реализовать индикацию состояния «батарея-разряжена».

Потенциал шины «земли» был выбран (несимметрично и максимально возможным) +6 В для обеспечения максимального динамического диапазона по яркости световой головки: поскольку конденсатор С5 заряжается на 2 В выше отрицательного напряжения питания, сама же схема перестанет работать, когда программируемое током напряжение на резисторе R13 достигает приблизительно 4 В (в 6 раз превышающий номинальное значение), поскольку сам источник тока тогда станет неподатливым. На нижнем крае динамического диапазона напряжения смещения в усилителях U1a и U1b начнут давать ошибки приблизительно при освещенности в 1/6 от номинальной. Таким образом, комбинируя выбором напряжения шины земли (+6 В) и номинального программирующего напряжения (0,66 В), удалось получить динамический диапазон от 1/6 до 6 от номинального значения, что существенно выше того, к чему могут привести флуктуации светового потока любого источника света. Например, флуоресцентная лампа исходно при комнатной температуре производит 1/3 от своей полной яркости при полном прогреве. Мы выбрали частоту 16 Гц, поскольку тогда единственный делитель на 16 может обеспечить сигнал возбуждения пьезоэлектрической звуковой головки без одновибраторов.

Замечание по схеме защиты: резистор R1 предотвращает повреждение самого фотодиода при пиковых токах, которые могут в необычных условиях возникать при заряде конденсатора С1. Фиксаторы уровней Д1 и Д2 предохраняют от повреждения усилитель U1a при подаче чего-нибудь безумного во входную цепь. Резистор R18 предохраняет конденсатор С8 от перезаряда, т. е. от перевода схемы U4 в тиристорный ключевой режим с фиксацией состояния, когда выключается напряжение питания + 9SW. Хотя эти предосторожности могут быть в большинстве случаев излишними, они были использованы на всякий случай, поскольку этот прибор является коммерческим изделием, где умеренная интенсивность отказов может уничтожить весь ваш доход (а также и вашу репутацию!).

Разнообразные идеи: микромощные ОУ. Контакт программирования можно использовать в качестве удобного управления выключением питания, как это показано на рис. 14.34.

Рис. 14.34. Использование контакта программирования для управления отключением питания.

Это проще, чем коммутировать напряжения источников питания ОУ, как мы вынуждены были сделать для других, больших по току нагрузок, как пример с метрономом. Большинство программируемых ОУ (3440, 4250) работает на втекающем токе Iуст, как это показано на рисунке, так что вы можете использовать эту простую цепь. Это может быть хорошей идеей; подключить высокоомный поддерживающий резистор на положительный источник питания ОУ для обеспечения шунтирования токов утечки и, следовательно, гарантированного полного выключения.

Некоторые ОУ являются «квазипрограммируемыми» в том смысле, что они допускают выбор нескольких фиксированных рабочих токов (в типовом случае 10 мкА, 100 мкА и 1 мА). Примерами этого могут служить ОУ ILC7612 и TLC251/271. Серия TLC250/270 к тому же имеет в корпусе несколько ОУ с «низким» (10 мкА на секцию), «средним» (150 мкА на секцию) и «высоким» (1 мА на секцию) значением тока покоя, которые определяются по части цифрового обозначения, а именно TLC27L2, TLC27M4 и TLC274 (соответственно низкий ток, сдвоенный; средний ток, счетверенный; высокий ток, счетверенный).

При использовании КМОП-ОУ в режиме компаратора следует остерегаться больших временных дрейфов напряжения Uсм, они вызываются миграцией ионов натрия в области затвора при долговременной подаче входного дифференциального напряжения, это не будет оказывать влияния на их работу в качестве ОУ, где обратная связь приводит к нулю дифференциальное входное напряжение. ЛинКМОП — серия TLC270 не страдает этой болезнью из-за ее легированного фосфором поликремниевого затвора.