Основы автоматизации эксперимента Герман (стр. 4 из 16)

Рис. 12. Схемы интеграторов: а) на RC-цепи,
б) c переключаемыми конденсаторами

В качестве еще одного примера рассмотрим конструкцию интегратора с применением переключаемого конденсатора. На рис. 12, а приведена схема обычного интегратора, а на
рис. 12, б – схема с переключаемым конденсатором. Ключ периодически переключается из положения 1 в положение 2 и обратно с периодом Т. Накопленный конденсатором С1 заряд, пропорциональный входному напряжению и периоду Т, передается на инвертирующий вход операционного усилителя с конденсатором С2 в цепи обратной связи. Поскольку входное дифференциальное напряжение и входные токи идеального операционного усилителя равны нулю, С1 разрядится полностью, и его заряд суммируется с зарядом, накопленным С2. Коммутируемый конденсатор как бы имитирует входной резистор схемы, показанной на
рис. 12, а. Уменьшая период переключения Т, мы уменьшаем эквивалентную постоянную времени интегрирования.

Интегратор на переключаемом конденсаторе имеет ряд преимуществ перед стандартным RC-интегратором. Во-первых, его коэффициент передачи зависит только от соотношения емкостей двух конденсаторов. Это свойство широко используется в микросхемах, содержащих интеграторы: на подложке достаточно просто получить пару однотипных согласованных конденсаторов, в то время как получение разнотипных элементов (резистора и конденсатора) с точными значениями обходится намного дороже, а иногда и вовсе невозможно (например, из-за различных значений температурных коэффициентов емкости и сопротивления). Во-вторых, подстройка интегратора с переключаемым конденсатором осуществляется с помощью изменения тактовой частоты сигнала, управляющего ключом.

Рассматриваемый интегратор не лишен недостатков. При его работе наблюдается сквозное прохождение сигнала тактовой частоты на выход. Однако это редко имеет значение, так как частота тактового сигнала обычно на один-два порядка превышает частоту входных сигналов. Еще одна проблема связана с наложением спектров. Любые компоненты входного сигнала, которые отстоят по частоте от частоты тактового сигнала на величину, соответствующую частотам полосы пропускания интегратора, не будут подавлены. Эта проблема имеет место в случае, когда в спектре входного сигнала есть заметные компоненты частот, близких к тактовой частоте.

Инвертор напряжения с "плавающим" конденсатором. Существует интересный способ (рис. 13) создавать нужное нам напряжение питания отрицательной полярности в схеме, запитанной от однополярного положительного источника питания. Пара левых по схеме ключей подключает С1 к положительному источнику питания, заряжая его до U_вх, в то время как правые ключи разомкнуты. Вслед за тем входные ключи размыкаются, а правая пара ключей замыкается, подключая заряженный C1 к выходу, при этом часть его заряда передается на С2. Схема организована так, что C1 как-бы "переворачивается", выдавая на выход напряжение отрицательной полярности. Данная схема выпускается в виде готовых микросхем конвертера напряжения. Это устройство также называют инвертором напряжения, поскольку оно превращает положительное напряжение в напряжение отрицательное, и наоборот.

Рис. 13. Инвертор напряжения с "плавающим" конденсатором

Приведенные примеры составляют ничтожно малую часть схем, использующих аналоговые ключи. Одной из наиболее значимых областей применения ключей являются рассматриваемые нами далее устройства выборки-хранения (УВХ).

Устройство выборки-хранения

При сборе аналоговой информации и ее последующем преобразовании бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в определенный момент времени. Некоторые типы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) могут давать непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал изменяется за время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) некоторых типов из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются флуктуации выходного напряжения. Для устранения этих явлений необходимо зафиксировать значение входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП на время преобразования.

Устройства выборки-хранения, выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении в режим хранения – сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки.

Рис. 14. Схема простейшего УВХ (а) и сигналы на его входах и выходах (б)

Рис. 14, а демонстрирует, как можно сделать простейшую схему выборки-хранения. Когда ключ S замкнут, выходное напряжение повторяет входное (состояние 1, рис. 14, б). Чтобы запомнить уровень аналогового сигнала в любой заданный момент, вы просто размыкаете ключ (состояние 2). Высокое полное входное сопротивление буфера на основе операционного усилителя (ОУ, у которого на входе должны быть полевые транзисторы, чтобы входной ток не слишком отличался от нуля) предотвращает нагрузку конденсатора C_хр, так что напряжение на нем "хранится" до тех пор, пока ключ не замкнется снова.

Рассмотренная нами схема УВХ имеет ряд принципиальных недостатков. Во-первых, при замкнутом ключе источник сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. Во-вторых, операционные усилители с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве выходных повторителей, имеют значительное смещение нуля.

Рассмотрим подробнее схемотехнику устройства выборки-хранения на примере выполненного в виде интегральной микросхемы УВХ типа К1100СК2, выпускаемой отечественной промышленностью (рис. 15). ОУ1 - это повторитель, предназначенный для формирования низкоомного аналога входного сигнала. Ключ S пропускает сигнал во время выборки и блокирует его прохождение в момент хранения. Конденсатор С_хр запоминает сигнал таким, каким он был в момент выключения ключа. ОУ2 - это повторитель с большим входным сопротивлением, благодаря чему минимизируется ток через конденсатор во время хранения. Величина С_хр выбирается, исходя из компромисса: ток утечки в ключе, и повторителе вызывает спад напряжения на конденсаторе С во время запоминания в соответствии с выражением dU/dt=I_утечки/С.

Рис. 15. Функциональная схема промышленно выпускаемой интегральной схемы УВХ К1100СК2

В связи с этим для минимизации спада напряжения конденсатор С должен быть большой емкости. Однако, сопротивление ключа во включенном состоянии образует в сочетании с этим конденсатором фильтр низких частот. В связи с этим C_хр должен быть небольшой емкости, тогда высокочастотные сигналы, проходящие на выход схемы при замкнутом ключе, не будут искажаться.

ОУ1 должен обеспечивать ток заряда конденсатора равный I=C(dU/dt) и должен обладать достаточной скоростью нарастания для повторения входного сигнала. На практике скорость нарастания всей схемы обычно ограничивается выходным током первого ОУ и сопротивлением ключа во включенном состоянии.

ОУ1 управляет емкостной нагрузкой. Поэтому используются операционные усилители, обладающие стабильностью при единичном коэффициенте усиления и большой емкостной нагрузке (до 0,1 мкФ).

Заметьте, что схема на рис. 15 имеет общую отрицательную обратную связь (ООС): с выхода ОУ2 на инвертирующий вход ОУ1. Когда ключ замкнут, потенциал выхода ОУ1, вследствие действия ООС, устанавливается таким, что U_вых отличается от U_вх на величину напряжения смещения ОУ2. При этом смещение, возникающее из-за наличия ключа и ОУ2 компенсируется. Диоды D1 и D2 в этом состоянии заперты, так как напряжение на них, равное указанному смещению, достаточно мало (1-20 мВ).

При размыкании ключа управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор R1 и диоды предотвращают насыщение ОУ1, которое могло бы возникнуть из-за разрыва петли ООС в этом режиме. Резистор R2 ограничивает ток заряда конденсатора хранения.

К точностным характеристикам УВХ относится напряжение смещения нуля, определяемое смещением ОУ1 (обычно не очень велико, в пределах 5 мВ, если применяется ОУ с биполярными транзисторами на входе) и дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости конденсатора хранения (для различных УВХ от 10^-3 до 10^-1 В/c при емкости C_хр=1000 пФ). Величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости C_хр. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.

К динамическим характеристикам УВХ относят: время выборки, показывающее как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения с заданным уровнем допуска; и апертурную задержку – период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием ключа.

Существует множество интегральных схем выборки-хранения, обладающих хорошими характеристиками. Ряд схем включает в себя внутренний конденсатор хранения и гарантирует максимальное время выборки в десятки или сотни наносекунд при точности 0,01% для сигнала величиной 10 В. Величина апертурной задержки для популярных УВХ не превышает 100 нс.