От программирования к железу или «Почему оно не работает?».Ликбез / Habr

Привет Хабр. В последнее время среди программистов все больше стала набирать популярность цифровая электроника, появляются все новые платформы, позволяющие без каких либо особых знаний в электронике собирать различные устройства. Сам я начинал заниматься аналоговой электроникой, позже — цифровой и программированием. Многие же — наоборот — сначала программированием, а потом пытаются заниматься железом, при этом знания по части электроники практически нулевые и люди не знают/не понимают элементарных для олдфажного электронщика вещей. В данной статье я постараюсь затронуть наиболее важные на мой взгляд моменты, как по части проектирования схем, так и по части разводки плат. Надеюсь мои советы помогут миновать некоторые грабли

Входы микросхем

Заглянем немного внутрь микросхем и посмотрим как устроены их части. Подавляющее большинство современных цифровых микросхем сделано по технологии КМОП. Базовым элементом является полевой транзистор с индуцированным каналом p или n типа. Объединив их по следующей схеме — получаем инвертор, при подаче высокого напряжения на входы — сопротивление n канального транзистора мало, а p канального — велико, нижний транзистор подключает выход к земле, если же наоборот — подать низкий уровень — сопротивление будет мало у p канального транзистора — и он подключит выход к высокому напряжению.

Тут кроется, на первый взгляд незаметная вещь — а что будет, если транзисторы будут открыты одновременно?
Правильно — короткое замыкание между питанием и землей — и тут уж что быстрее выйдет из строя — канал одного из транзисторов или питающая схема, которая не сможет обеспечить такой ток. И такое вполне может быть и бывает ведь. Дело тут в том, что для транзисторов существуют диапазоны напряжений на затворе в пределах которых мы считаем, что сопротивление транзистора мало или велико. В зависимости от транзисторов они разные — скажем до 0.6В мы считаем, что один транзистор гарантированно закрыт, а другой открыт, а выше 1.8В считаем, что наоборот. диапазон между этими напряжениями — ЗАПРЕЩЕННЫЙ в цифровой электронике, потому что один транзистор уже может приоткрыться, а второй еще не закрыться. Обеспечить такое условие достаточно просто — достаточно оставить неиспользуемый вход микросхемы болтаться в воздухе — напряжение в таком случае на нем может быть какое угодно. Поэтому

Совет номер 1: всегда подтягивайте неиспользуемые входы микросхемы к какому либо логическому уровню схемы. Потом будет меньше огромных глаз и возгласов «От статики сгорело! Нужно антистатические браслеты одевать.» — Нужно правильно делать схемы, тогда они САМИ гореть не будут. Всегда следите за тем, чтобы логический уровень на входах был четко задан в любой момент работы схемы. Невыполнение этого условия чревато не только ошибками в работе устройства, но и выходом его из строя. И хотя входы обычно оснащены защитными диодами, которые защищают от перенапряжения и задают напряжение на затворе — надеяться на них не стоит. Кроме того хаотично переключающиеся элементы внутри микросхемы повышают ее энергопотребление, что может быть критично в системах с батарейным питанием

Выходы микросхем

Кроме входов у микросхем есть еще и выходы — в зависимости от того — какое напряжение мы подаем на выходной каскад — открывается один или другой транзистор, через который течет ток — он либо вытекает либо втекает в микросхему, чтобы получить напряжение (ведь именно его мы измеряем) ток нужно пропустить через сопротивление. Это сопротивление и будет определять ток, протекающий через выход микросхемы, если мы нагружаем выход на высокоимпедансный вход 10МОм, при напряжении питания 5В — через выход контроллера будет протекать ток 0.5 мкА. Канал транзистора имеет ограничение по протекающему через него току — как правило это отражено в даташитах. Сопротивление на которое нагружается выход микросхемы не должно быть меньше допустимого. Скажем — если максимальный выходной ток 10мА, а напряжение питания 5В, то минимальное нагрузочное сопротивление будет 0.5кОм или 500Ом, если меньше — сгорит.

Совет номер 2:
Подключайте выходные разъемы через проходные резисторы ~1кОм, потому что к выходным разъемам по определению можно подключить что угодно, проходной резистор обезопасит схему от кривых рук (возможно даже своих же). Внутри схемы — если уверены, что выход всегда будет нагружен на высокоимпедансный вход — можно обойтись без них. Все это разумеется справедливо, если выходной сигнал — напряжение, если на выходе требуется ток — тут можно сконфигурировать выходы в режиме открытого коллектора, либо использовать дополнительный внешний транзистор для управления нагрузкой.

Индуктивности

Индуктивность — это некоторая инертность места, где протекает ток — мне очень нравится тут аналогия с сантехникой — индуктивность это массивная турбина, которая при подаче давления — постепенно раскручивается, потом все меньше и меньше сопротивляется напору воды, в итоге перестает сопротивляться вообще, а если снять давление, то турбина продолжает толкать воду, пока не остановится. В общем в самом начале давление совершает работу по раскрутке турбины, которая запасает в себе энергию. В случае с током — то же самое тут напряжение это то же давление в сантехнике — мы пытаемся сдвинуть электроны с места, прикладывая некоторое напряжение, но природа так устроена, что часть энергии должна запастись в электромагнитном поле — сколько именно — определяется геометрией контура (массой, геометрией турбины).

Всегда помните, чему вас учили в школе — ток течет по кольцу! И площадь этого кольца с током, так же как и толщина проводника определяют индуктивность контура — сколько энергии будет запасаться в магнитном поле. Это магнитное поле может влиять на другие проводники — это явление используется в трансформаторах. Любые 2 контура с током обладают взаимной индукцией и один будет влиять на другой. Во вторых — высокая индуктивность ограничивает быстродействие схемы, кроме того индуктивности с паразитными емкостями могут образовывать резонансные контуры и схема может работать непредсказуемо… Но обо всем по порядку — Расскажу о некоторых эффектах, связанных с индуктивностью в цифровой технике

Индуктивность выводов, срабатывание на удвоенной частоте

Любой кусочек проводника, по которому течет ток имеет свою индуктивность, в том числе и ножки микросхемы. Посмотрим, на что она может влиять. Рассмотрим следующую схему — все что в желтом квадратике — кристалл микросхемы, внутренние линии питания связаны с внешними через индуктивность ножек.

Допустим на выходе удерживался высокий логический уровень — тек небольшой ток через входное сопротивление приемника и была заряжена входная емкость, и тут происходит переключение выхода в низкий логический уровень. Открывается нижний транзистор, закрывается верхний, емкость C — заряжена, сопротивление R — велико, емкость будет разряжаться через нижний транзистор и индуктивность земляного вывода — что мы имеем? После переключения выхода из 1 в 0 — получаем бросок тока, обусловленный входной емкостью приемника, ток проходя через индуктивность земляного вывода вызывает ЭДС самоиндукции, внутренняя земля таким образом подпрыгивает относительно внешней на величину этой ЭДС равной -LdI/dt, причем знак производной сначала будет положительный — ток через индуктивность возрастает, а затем — отрицательный — ток падает. Получаем импульсную помеху по внутренней шине земли — её потенциал сначала подпрыгнет, а потом просядет на одинаковую величину.

Но все внутренние измерительные цепи используют потенциал земли как опорный! Подпрыгивает только он, с другими сигналами на затворах ничего не происходит. А теперь представим, что микросхема наша тактируется от внешнего генератора и выходов у неё не 1, а 8 — 32 — какая нибудь микросхема памяти с раздельными выводами для чтения и записи — одновременно и пишем и читаем — сначала выставляем данные на входах, которые хотим записать, потом выдаем тактовый сигнал — входные данные защелкиваются, а выходные выставляются. Механизм распознавания тактового сигнала — дифференциальный — внутри измеряется разница между напряжением на входе тактовой синхронизации и внутренней землей. Допустим произошло переключение по тактовому сигналу выходов из состояния 0xff в 0x00 — при этом напряжение импульсной помехи будет в 8 раз больше, чем с 1 ножкой — внутренняя земля сначала подпрыгивает, а поскольку важна разница между входным сигналом и внутренней землей — может подпрыгнуть настолько, что внутренний компаратор переключится в 0, затем земля опустится и компаратор снова переключится в 1 — получаем дополнительный такт сразу за первым, при этом новые входные данные еще не выставлены, а выходные еще не приняты. Внешне это не проявится никак — схема просто будет сбоить непонятно почему — на осциллографе все будет чисто, вы же не можете ткнуться в кристалл микросхемы.
Производители решают эту проблему, снижая индуктивность выводов, создавая безвыводные корпуса, которые к тому же экономят место. Но все это ценой снижения механической надежности и усложнения монтажа. Кроме того — одно из решений — использовать отдельные выводы для измерительных цепей, так же используются несколько выводов земли и питания — таким образом индуктивности выводов соединяются параллельно и общая индуктивность снижается, кроме того это позволяет распределить токи внутри кристалла и уменьшить их влияние друг на друга.

Совет номер 3:
Если микросхема имеет раздельные выводы питания — у каждого должна быть своя точка соединения с шиной земли или питания- не нужно соединять их вместе, а затем одной сопелькой все это присоединять к шине — так вы убиваете всю задумку!

Взаимная индукция контуров с током, наводки

Помните я говорил, что ток течет по кольцу? Об этом всегда нужно помнить, когда вы разрабатываете высокочастотное устройство. На высоких частотах сопротивление линии начинает играть меньшую роль, по сравнению с индуктивностью — ВЧ ток течет не по пути наименьшего сопротивления, а по пути наименьшей индуктивности ток всегда стремится образовать контур с наименьшей индуктивностью — то есть обратный ток стремится течь как можно ближе к дорожке, по которой течет прямой ток — так площадь контура будет минимальна, соответственно будет минимальна и его индуктивность. Чем меньше индуктивность линии — тем выше её быстродействие(турбина легче раскручивается), кроме того — обратные токи разных линий не должны течь по одному и тому же месту — так они имеют высокую взаимную индуктивность — один контур начинает давать наводки на другой, как в трансформаторе. В общем все, что вам нужно сделать при разводке печатной платы — позволить обратному току течь под дорожкой.
Вот пример того, как не стоит делать: — в земляном слое разрез — обратный ток от верхней пары приемник — передатчик вынужден огибать разрез — при этом возникает пересечение с другим контуром тока и увеличивается площадь и индуктивность контура

Совет номер 4:
Следите за обратными путями сигнальных токов — ток сам стремится минимизировать индуктивность — вы просто не должны ему мешать. Следите, чтобы контуры пересекались как можно меньше — это увеличит помехоустойчивость схемы

Емкости

Везде, где есть 2 проводящие поверхности — есть емкость — будь то провода, проводники на печатной плате или ножки микросхем — иногда емкость это хорошо иногда плохо. Например в случае срабатывания на удвоенной частоте — большая входная емкость приемника — плохо, потому что увеличивается количество принимаемого ей заряда, соответственно амплитуда импульсной помехи. Если в случае индуктивности — связь идет по магнитному полю, то в случае с емкостью — по электрическому, решающую роль здесь играет площадь проводников и расстояние, а также то, что расположено между ними. Например емкостная связь между проводниками в шине — плохо(например шлейф IDE) — минимизировать её можно пустив между дорожками земляной проводник, тогда эквивалентная схема будет следующей: C — емкость между двумя проводниками. — в таком случае влияние взаимной емкости снижается во первых — в 2 раза за счет увеличения расстояния, во вторых — имеем 2 параллельно соединенных конденсатора — один идет в землю, второй в другой проводник — один имеет импеданс 1/iwC, другой 2/iwC, переменный ток поделится между ними в отношении 2/1, то есть наличие земляного проводника между линиями позволяет снизить влияние взаимной емкости в 4 раза

Если в схеме присутствуют 2 земли — аналоговая и цифровая или сильноточная и слаботочная — нужно следить, чтобы взаимная емкость между полигонами была минимальна — добиться этого можно, делая один из полигонов сеточкой. Но стоит предостеречь, что уменьшение емкости полигона не всегда идет на пользу

Блокировочные конденсаторы

Вообще говоря для переменного тока не имеет никакого значения — течь по земле или по шине питания — для него они равноправны. В идеальном случае источник питания должен обладать нулевым импедансом, но в реальности это не так, вклад в это вносят подводящие провода и разводка питания. Чем это плохо? Допустим — какой то выход микросхемы переключился из состояния 0 в состояние 1 — при этом должна зарядиться выходная емкость. а где взять электроны для заряда? правильно — из батарейки, то есть при каждом переключении у нас происходит импульсный бросок тока в цепи питания — и так при каждом переключении чего то внутри микросхемы, а что делает ток, протекая через индуктивности цепи питания? создает помехи для других таких же цепей — если не обеспечен низкий импеданс по переменному току между питанием и землей и у тока нет другого пути кроме как через батарейку — уровень перекрестных помех в схеме возрастает. Проблема решается установкой блокировочных конденсаторов рядом с каждой микросхемой — это по сути маленькие батарейки с низким импедансом — при помощи них мы разделяем и уменьшаем контура переменных токов микросхем. Стоит остановиться немного на конденсаторах — на приведенной схеме L2, C2, ESR, ES — эквивалентная схема конденсатора — L2 — последовательная индуктивность выводов, C2 — собственно емкость, ES — сопротивление диэлектрика,ESR — эквивалентное последовательное сопротивление — засуньте кусок текстолита в микроволновку и включите на несколько секунд — теплый? Вот это и есть — эквивалентное последовательное сопротивление — дело в том, что диэлектрик это диполи — по сути 2 шарика, соединенные пружинкой — это колебательная система, которая имеет свою частоту — если вы меняете внешнее поле с близкой частотой — сопротивление мало, если с отличной — систему все сложней заставить колебаться — ESR зависит от частоты и имеет резонансный пик — в окрестности этого пика ESR мало — положение этого пика зависит от материала диэлектрика — у электролитических конденсаторов он находится на низких частотах, у керамических — на более высоких. Таким образом, чтобы конденсатор имел малый импеданс мы должны обеспечить минимальную индуктивность выводов и минимальное ESR

Совет номер 5:
Для уменьшения перекрестных помех по линиям питания старайтесь минимизировать импеданс разводки линий питания, по возможности используйте полигоны для питания и земли — емкостная связь между ними способствует уменьшению импеданса.
Поскольку для переменного тока не имеет значения — возвращаться по линии питания или по земле — используйте конденсаторы, чтобы возвратный ток мог перетекать из слоя в слой при необходимости. Располагайте блокировочные конденсаторы в непосредственной близости от микросхем, для минимизации перекрестных помех по линиям питания. Используйте конденсаторы с различными типами диэлектриков.

На этом все — надеюсь кому то статья была полезна — свои вопросы и замечания оставляйте в комментариях или в ЛС

Входное сопротивление схемы

Благодаря наличию обратной связи к сопротивлению r_д приложено очень малое напряжение

U_д = U_вых/K_U = U₁/(1+K_U),

где  = R₁/(R₁+R₂) — коэффициент передачи делителя в цепи обратной связи. Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный U₁/r_д(1+K_U). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благодаря действию обратной связи, умножается на коэффициент 1+K_U. Согласно рис. 12, для результирующего входного сопротивления схемы имеем:

R_вх= r_д(1+K_U)||r_вх

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает 10⁹ Ом. Следует однако помнить, что речь идет исключительно о дифференциальной величине; это значит, что изменения входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может принимать несравненно бoльшие значения.

Рис. 12. Схема неинвертирующего усилителя с учетом собственных сопротивлений ОУ

Выходное сопротивление схемы

Реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении выходного сопротивления. Так, рассмотренный выше ОУ типа А741 имеет r_вых порядка 1 кОм. Оно, правда, в значительной степени уменьшается применением отрицательной обратной связи по напряжению. Снижение выходного напряжения схемы, вызванное падением напряжения на rвых при подключении нагрузки, передается на n-вход усилителя через делитель напряжения R₁, R₂. Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется выражением:

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой на рис. 12, эта формула принимает вид:

.

(12)

При работе усилителя, охваченного обратной связью, величина U_д не остается постоянной, а изменяется на величину

dU_д= — dU_n = -dU_вых         (13)

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет

dU_вых=K_UdU_д — r_вых dI_вых

Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину dU_д из (13) с учетом (12), получим искомый результат:

Если, например,  =0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10 раз, а K_U=10⁵ , то выходное сопротивление усилителя А741 снизится с 1 кОм до 0,1 Ом. Вышеизложенное, вообще говоря, справедливо в пределах полосы пропускания усилителя f_п, которая для А741 составляет всего только 10 Гц. На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет увеличиваться, т.к. величина |K_U| с ростом частоты будет уменьшаться со скоростью 20дБ на декаду (см. рис. 3). При этом оно приобретает индуктивный характер и на частотах более f_т становится равным величине выходного сопротивления усилителя без обратной связи.

Коррекция частотной характеристики

Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Системы такого рода, имеющие большой коэффициент усиления, при наличии обратной связи склонны к неустойчивости, проявляющейся в том, что даже при отсутствии сигнала на входе системы, на ее выходе существуют колебания относительно большой амплитуды. Устойчивость ОУ с обратной связью удобно исследовать по его частотным характеристикам. Типичные логарифмические асимптотическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазово-частотная (ЛФЧХ) характеристики (диаграмма Боде) ОУ без частотной коррекции приведены на рис. 13.

Рис. 13. Типичные логарифмические амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ

Выше частоты f₁ частотная характеристика определяется инерционным звеном с максимальной постоянной времени. Коэффициент усиления в этой области убывает со скоростью -20 дБ/дек. Выше частоты f₂ начинает действовать второе инерционное звено, коэффициент усиления убывает быстрее (-40 дБ/дек), а фазовый сдвиг между U_д и U_вых достигает  = -180°. Частота, при которой выполняется это условие, называется критической f_кр. Частота, при которой модуль коэффициента усиления петли обратной связи (коэффициента петлевого усиления) |K_п| = |K_U|=1, называется частотой среза f_ср. Коэффициент  в этом соотношении является коэффициентом передачи цепи обратной связи. Как для инвертирующего, так и для неинвертирующего включения ОУ при резистивной обратной связи он определяется как

 = R₁/(R₁+R₂)

Согласно выражениям (8), (9), между  и коэффициентом усиления входного сигнала схемы на ОУ K существует следующая взаимосвязь:

для инвертирующего включения для неинвертирующего включения.

(14)

В соответствии с логарифмическим вариантом критерия Найквиста для минимально-фазовых систем, к которым можно отнести ОУ с отрицательной обратной связью, усилитель будет устойчив, если для логарифмических частотных характеристик разомкнутой петли обратной связи K_U выполнено условие:

f_ср< f_кр         (15)

При резистивной обратной связи ЛФЧХ петли совпадает с ЛФЧХ усилителя, а ЛАЧХ петли проходит на 20lg(1/) ниже ЛАЧХ усилителя, так что частота среза f_ср соответствует точке пересечения графика ЛАЧХ усилителя с горизонтальной прямой, проведенной на 20lg(1/) выше оси частот. На диаграмме рис. 13 видно, что при больших значениях K (и, соответственно, малых ) условие (15) выполняется, причем имеется достаточный запас устойчивости по фазе. При K<200 операционный усилитель с частотными характеристиками, такими, как на рис. 13, неустойчив.

Степень устойчивости, а также мера затухания переходных процессов приближенно определяется запасом устойчивости по фазе. Под этой величиной понимается дополнительный до 180° угол к фазовому запаздыванию на критической частоте:

 =180° + (f_кр).

На рис. 14 представлены типичные графики переходных функций (реакций на единичный скачек) операционного усилителя, включенного по схеме неинвертирующего повторителя при различных запасах устойчивости по фазе .

По диаграмме Боде разомкнутого ОУ можно непосредственно определить, какая величина затухания окажется у схемы усилителя с заданным значением  . В качестве примера рассмотрим на рис. 13 случай для 1/ =8000. При этом из диаграммы находим f_кр =100 кГц и  =65°. Таким образом, для такой обратной связи получается приемлемая величина затухания. В случае более глубокой обратной связи величина a быстро уменьшается и при 1/ =200 достигает нуля.

Рис. 14. Переходные характеристики ОУ, охваченного обратной связью

⚡️Как увеличить входное сопротивления мультиметра

Большинство производимых сегодня мультиметров (UNI-Т, АРРА МЕ- TERMAN и т. д.) имеют входное сопротивление не более 10 МОм. Однако в некоторых случаях, когда измерения проводят в высокоомных цепях, этого может оказаться недостаточным.

Автор статьи столкнулся именно с такой проблемой. Ее решение оказывается наиболее простым, если использовать буферный повторитель напряжения, к выходу которого подключают мультиметр. Такую приставку проще всего собрать на основе операционного усилителя (ОУ).

Важен выбор самого ОУ, который должен иметь высокое входное сопротивление. Желательно также, чтобы он имел возможно широкий интервал входного напряжения. Выбор пал на недорогой ОУ LF356 с полевыми транзисторами на входе. Напряжение питания его находится в пределах 2×5…2×22 В и максимальное входное напряжение (которое должно оставаться меньше питающего) — ±20 В. Входное сопротивление микросхемы равно 1 ТОм, а входная ёмкость — 3 пФ.

Первоначальный вариант такой приставки был собран с питанием от сети, но из-за трудноустранимых сетевых наводок в конечном итоге использовано автономное питание от двух батарей “Крона” (6F22, 6LF22, 6LR61) напряжением по девять вольт. Приставка собрана в экранированном корпусе размерами 115x85x55 мм, спаянном из фольгированного стеклотекстолита. Заметим здесь, что из-за высокого входного сопротивления приставки должны быть применены коаксиальные входные клеммы.

Схема этой простой приставки, содержащей минимум элементов, приведена на рис. 1, а общий её вид — на рис. 2. Приставка потребляет ток около 5 мА. Ввиду простоты схемы чертёж печатной платы не приводится. Подстроечный резистор R4 служит для установки нуля на выходе приставки при отсутствии постоянного напряжения на входе. Цепь из светодиода HL1, стабилитрона VD1 и резистора R6 служит для индикации включения питания.

При уменьшении напряжения каждой батареи до 7,8В светодиод полностью гаснет. В качестве “подсобного инструмента” для измерения входного сопротивления был использован прецизионный конденсатор с полистирольным диэлектриком К71-7 ёмкостью 0,1 мкФ (±0,5 %) и номинальным напряжением 250 В. Для того чтобы определить сопротивление утечки конкретного экземпляра, конденсатор заряжался до напряжения 30 В и отключался от источника.

Через каждый час напряжение на нём измерялось высокоомным вольтметром. В течение первых часов напряжение уменьшалось приблизительно по экспоненциальному закону с постоянной времени Т= 8*10⁵ с. Отсюда можно вычислить сопротивление утечки — R= 8000 ГОм. В приставке применены резисторы КЛМ (R1— R3). Сопротивление этих резисторов, помимо десятипроцентного разброса, подвержено также старению (тем более, что срок хранения применённых резисторов ещё советского производства достигал 40 лет).

Сопротивление резисторов было измерено омметром с пределом измерения 400 МОм. Измеренное суммарное сопротивление резисторов R2 и R3 оказалось равным 230 МОм. Номинальное сопротивление резистора R1 — 10 ГОм. Проведённые измерения с помощью источника напряжения и аттенюатора показали, что реальное сопротивление этого резистора 8430 МОм.

Дальнейшие измерения напряжения на упомянутом разряжаемом конденсаторе, подключённом к ОУ, показали, что для постоянного тока этими резисторами определяется входное сопротивление приставки. Им для входа 1 является сопротивление резисторов R2 и R3 — 0,23 ГОм, а для входа 2 сопротивление резисторов R1—R3 — 8,66 ГОм.

Отметим, что выбором резисторов R1—R3 входные сопротивления при необходимости могут быть значительно увеличены. Однако заметим также, что неинвертирующий вход микросхемы (вывод 3) всё же через резистор (пусть достаточно большого сопротивления) должен быть соединён с общим проводом. Вывод 4 минусового источника питания находится рядом с выводом 3.

И если исключить этот резистор, то входное сопротивление повторителя оказывается настолько большим, что сопротивление между этими выводами оказывается сравнимым с входным сопротивлением повторителя. В результате и при отсутствии входного напряжения на выходе появляется отрицательное напряжение относительно общего провода (в моём случае оно оказалось -6,6 В).

При напряжении питания 2×9В линейная зависимость между входным и выходным напряжениями (их равенство при использовании входа 1) сохранялась до входного напряжения ±7,1 В. При напряжении питания ±7,9В это значение уменьшилось до ±5,5 В. С учётом этого максимальное входное напряжение для входа 1 — ±5 В. Для входа 2 оно равно ±200 В. В последнем случае, чтобы получить истинное значение входного напряжения, нужно измеренное мультиметром напряжение умножить на коэффициент пересчёта: k = (R1+R2+R3) / (R2+R3). В нашем случае к = 37,65.

С помощью приставки к мультиметру можно измерять и переменное напряжение. С точностью ± 1 % выходное напряжение равно входному (при использовании входа 1) для полосы частот 0…2 МГц. Для входа 1 и частоты 100 Гц входное сопротивление равно 100 МОм, а для входа 2 — 350 МОм. При повышении частоты измеряемого напряжения входное сопротивление уменьшается пропорционально увеличению этой частоты.

Шум на выходе включённой с открытым входом приставки измерялся мультиметром APPA-109N. Этот прибор измеряет переменное напряжение с разрешением 1 мкВ до частоты приблизительно 250 кГц (с калиброванной погрешностью до 100 кГц). При минимизации внешних наводок (таких, например, как электрическая сеть рядом с приставкой и пр.) напряжение шума — менее 1 мкВ. В заключение отметим, что, помимо применённой микросхемы, могут быть использованы и другие, например, LF155, LF355, TL061, TL071. Для двух последних сопротивление подстроечного резистора R4 следует увеличить до 100 кОм.

Применение цифровых микросхем | HomeElectronics

Всем доброго времени суток! В предыдущих постах я рассказывал о логических элементах – «кирпичиках» слагающих фундамент цифровой техники и об их назначениях. В этом посте я расскажу более подробно о применении цифровых микросхем содержащих логические элементы.

Простейшие схемы

Первая схема представляет собой простейший пробник для прозвонки электрических цепей. С помощью данного пробника можно определить надёжность электрического контакта, найти обрыв в цепи, проверить исправность резисторов и полупроводниковых диодов и транзисторов.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схема пробника для прозвонки электрической цепи.

Опишем его работу. При разомкнутых щупах ХТ на входах логического элемента DD1 относительно общего провода устанавливается высокий логический уровень напряжения. Соответственно на выходе элемента DD1 будет низкий логический уровень, при этом светодиод VD1 не будет гореть. Если щупы замкнуть между собой, то на входе DD1 будет низкий логический уровень, а на выходе – высокий. Светящийся диод сообщит о том, что выходы замкнуты между собой. Таким образом, при подключении щупов к исправной цепи будет загораться светодиод, а если светодиод не горит – значит, в цепи имеется обрыв.

Следующая схема, представленная ниже, представляет собой логический пробник. Предназначенный он для определения логического уровня напряжения в электрических цепях цифровых устройств.

Схема логического пробника.

В исходном состоянии на входах логического элемента DD1 и выходе DD2 устанавливается высокий логический уровень, соответственно светодиод VD1 горит. При включении светодиодов в цепь с высоким логическим уровнем светодиод VD1 продолжает гореть, а когда на входе DD1 появится низкий логический уровень, то светодиод VD1 соответственно погаснет.

Дальнейшее повествование о применении цифровых микросхем не возможно без знания внутреннего устройства цифровых ТТЛ и КМОП микросхем и их передаточных характеристиках.

Внутреннее устройство цифровых микросхем ТТЛ

Все семейства цифровых микросхем, основываются на базовых логических элементах. Для всех микросхем семейства ТТЛ таким элементом является элемент 2И-НЕ, который имеет следующее внутреннее устройство. Ниже показано схема элемента 2И-НЕ и его переходная характеристика

Схема базового элемента ТТЛ 2И-НЕ и его переходная характеристика.

На входе элемента стоит многоэмиттерный транзистор VT1, затем усилительный каскад на транзисторе VT2 и двухтактный выходной каскада на транзисторах VT3, VT4.

Опишем работу логического элемента 2И-НЕ. В исходном состоянии входное напряжение не превышает 0,5 В, а эмиттерный переход транзистора VT1 открыт, данного напряжения не достаточно для перевода коллекторного перехода в открытое состояние, то же относится и к эмиттерным переходам транзисторов VT2, VT4. Поэтому данные транзисторы закрыты, а транзистор VT3 – открыт, напряжением, поступающим с R2. Диод VD3 оказывается открытым и на выходе элемента напряжение составляет примерно 3…4 В (точка А). Когда начинается увеличиваться напряжение на эмиттерах VT1, то транзистор VT2 начинает открываться, а транзистор VT3 плавно закрываться (участок А – Б). Дальнейшее увеличение напряжения на входном транзисторе приводит к тому, что транзистор VT2 ещё больше открывается, напряжение на R3 тоже возрастает и открывается транзистор VT4. В результате, эмиттерный переход транзистора VT4 шунтирует резистор R3, и транзистор VT2 резко открывается, а напряжение на выходе элемента уменьшается. В этот момент (участок Б – В) все транзисторы открыты и находятся в активном режиме. Если продолжать увеличивать входное напряжение, то транзисторы VT2 и VT4 перейдут в режим насыщения (участок В – Г), а транзистор VT3 закроется и значение выходного напряжения станет равным напряжению насыщения транзистора VT4, а ток будет ограничен резистором R4.

Участок Б – В переходной характеристики можно использовать для обработки аналоговых сигналов, в данном режиме переходная характеристика обладает высокой линейностью и максимальной потребляемой мощностью.

Внутреннее устройство цифровых микросхем КМОП

Так же как и в ТТЛ семействе, КМОП микросхемах базовым элементом является 2И-НЕ, внутреннее устройство которого показано ниже

Схема базового элемента КМОП 2И-НЕ и его переходная характеристика.

В данном логическом элементе работают комплементарные полевые транзисторы. Транзисторы с каналом р-типа (VT1, VT2) подключены к положительному проводнику источника питания, с каналом n-типа (VT3, VT4) соединены последовательно.

При входном напряжении 2 В и менее транзисторы VT1 и VT2 открыты, так как напряжение на участках затвор – исток (при напряжении питания 9 В) составляет не менее 7 В. Напряжение на таких же участках транзисторов VT3 и VT4 оказывается недостаточным для их открывания, поэтому на выходе элемента будет напряжение, почти равное напряжению питания, то есть около 9 В (точка А). По мере увеличения входного напряжения транзисторы начинают открываться, а VT1 и VT2 закрываться. На участке А – Б этот процесс происходит сравнительно плавно, а на участке Б – В он ускоряется и наиболее линеен. В точке В транзисторы VT1 и VT2 почти полностью закрыты, а VT3 и VT4 открыты. Выходное напряжение в этом случае невелико и при дальнейшем увеличении входного напряжения до уровня источника питания оно стремиться к нулю (точка Г).

Логический элемент в линейном режиме

Использование логических элементов цифровых микросхем для работы с аналоговыми сигналами возможно лишь в случае, если их режим выведен в линейный или близкий к нему. Так в линейном режиме ТТЛ элемент эквивалентен усилителю к коэффициентом усиления 10 … 15 (примерно 20 дБ), а элемент КМОП – усилителю с коэффициентом усиления 10 … 20 (20 … 26 дБ).

Вывод логического элемента в линейный режим: слева-направо током, напряжением, обратной связью.

Для вывода логического элемента на линейный участок применяют различные способы. Один из них основан на включении на входе элемента ТТЛ резистора R. Этот резистор вызовет ток, который будет протекать через эмиттерный переход входного транзистора элемента ТТЛ. Изменяя сопротивление внешнего резистора, можно изменять напряжение на выходе элемента, то есть изменять положение его рабочей точки на передаточной характеристике. Для элементов ТТЛ сопротивление такого внешнего резистора составляет от 1 кОм до 3 кОм. Однако такой способ не применим для КМОП микросхем, так как они работают без выходных токов (есть токи утечки, но они малы и нестабильны).

Второй способ вывода логического элемента на рабочий режим может быть подача на вход соответствующего напряжения, например с помощью резистивного делителя. Так, для элементов ТТЛ середина линейного участка передаточной характеристики соответствует входное напряжение 1,5…1,8 В, а для КМОП 3…6 В (при напряжении питания 9 В). Для разных логических элементов это напряжение не одинаково, поэтому его подбирают опытным путём. Номиналы входных резисторов выбирают таким образом, что бы входные токи элементов не влияли на напряжение, снимаемое с резистивного делителя.

Третий способ, является наиболее эффективным, для этого создают отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току между входом и выходом элемента, благодаря чему рабочая точка автоматически поддерживается на требуемом участке передаточной характеристики и не требуется тщательного подбора внешних резисторов. Этот способ реализуется для логических элементов с инверсией входного сигнала: НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Сопротивление резистора в цепи ООС выбирают исходя из обеспечения элементу необходимого входного тока. Для элементов КМОП оно составляет от нескольких килоом до десятков мегаом, а для ТТЛ – от десятков Ом до 1 кОм. Но применение ООС снижает коэффициент усиления элемента.

Усилители на логических элементах

Для использования логических элементов в качестве усилителей сигналов необходимо вывести рабочую точку на линейный участок передаточной характеристики. Основные характеристики таких усилителей приведены в таблице ниже.

Серия	Схема вывода в линейный режим	КУС, дБ	Fmax, МГц	Рпотр мВт	Uвых, В	Rвх, кОм	Rвых, кОм	R1, кОм	R2, кОм
К155	OOC	18	40	20	1,2	0,6	0,05	0,68	0,68
	Ток	21				0,8		1,9	—
К176	ООС	25	5,5	5 … 20	1,5	0,4	0,05	7,5	5,1
	Ток	17	3 … 4		5,0	3,5	6	6,2	4
561	OOC	25				1000	7	1000	1000

Схема простейшего усилителя на элементе ТТЛ приведена ниже. Регулировка усилителя сводится к установке подстроечным резистором R1рабочей точки элемента на середине линейного участка передаточной характеристики.

Простейший усилитель на ТТЛ элементе

Недостатком простых усилителей является невысокое входное сопротивление, что ограничивает область их применения. К тому же коэффициент усиления небольшой. Устраняется данный недостаток использованием совместно с транзисторами. Коэффициент усиления повышается включением последовательно нескольких каскадов. Кроме того, цифровая микросхема содержит несколько идентичных элементов, это позволяет создавать многоканальные усилители. Примером может служить схема показанная ниже. Основные характеристики усилителя: коэффициент усиления – 50; выходное сопротивление 50 Ом, входное сопротивление 5 кОм, верхняя граничная частота 40 МГц.

Схема усилителя с транзистором на входе

Элементы КМОП также можно использовать для усилителей, схема одного из ни приведена ниже. Общий недостаток усилителей на элементах КМОП – высокое выходное сопротивление. Устранить его можно установкой на выходе логического элемента эмиттерного повторителя на транзисторе и включения его в цепь ООС.

Схемы усилителей на элементах КМОП.

Пороговые устройства на логических элементах

Пороговые устройства, называемые компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию. Простейшим пороговым устройством является триггер Шмитта, который описан в этом посте. Кроме формирования импульсов и восстановлении цифровых сигналов, пороговые устройства применяют в аналогово – цифровых преобразователях, генераторах импульсов различной формы.

Схема порогового устройстван на логических элементах.

По большёму счёту логический элемент является сам пороговым устройствам, однако его передаточная характеристика не совсем линейна. Для повышения линейности передаточной характеристики логического элемента, его необходимо охватить положительной обратной связью (ПОС) по постоянному току через резистор R2. В таком случае он превращается в своеобразный триггер Шмитта с возможностью регулирования пороговых напряжений. Ширина петли гистерезиса (разность между пороговыми напряжениями) зависит от соотношения номиналов резисторов R1 и R2. От этих же резисторов зависит и чувствительность. При увеличении R2 и уменьшении R1 чувствительность повышается, а ширина петли гистерезиса уменьшается. Для микросхем ТТЛ сопротивление R1 = 0,1 … 2 кОм, а R2 = 2 … 10 кОм. Пороговые устройства на КМОП элементах отличаются высокой экономичностью, а недостатком является низкая чувствительность. Для КМОП микросхем R1 – несколько десятков килоом, а R2 – несколько сотен килоом.

Генераторы на логических элементах

Цифровые микросхемы нашли широкое применение в схемах различных генераторов с частотами от долей герца до десятков мегагерц и самой различной формой импульса. Вообще генераторы представляют собой усилительный каскад или несколько, который охвачен частотно-зависимой обратной связью. В качестве таких цепей используют RC-, LC-, RLC-цепи, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.

Ниже показана схема генератора с RC частотно-зависимой цепью. Работа данного генератора связана с процессами зарядки-разрядки конденсатора С1 через резистор R1.

Схема RC-генератора

В данной схеме генератора через резистор R1 осуществляется ООС, которая выводит логический элемент в линейный режим, а через конденсатор С1 осуществляется частотно-зависимая ПОС. В таком генераторе используются как ТТЛ-элементы, так и КМОП. Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада с ООС, а емкость конденсатора – в зависимости от требуемой частоты колебаний. Частоту генерации можно определить по приближенной формуле

[math]F \approx \frac{0,7}{RC}[/math]

При работе такой генератор вырабатывает прямоугольные импульсы со скважностью примерно равной 2. Максимальная частота генерации ограниченна величиной задержки переключения логических элементов, так для КМОП микросхем максимальная частота составляет 2 … 4 МГц, а для ТТЛ – несколько десятков МГц.

С помощью цифровых микросхем можно также получить генератор синусоидального сигнала, для этого в качестве частотно-задающей цепи необходимо использовать LC-контур. Схема такого генератора приведена ниже.

Схема LC-генератора

В качестве частотно-зависимой связи применяются как последовательный так и параллельный колебательный контур, но в любом случае частота колебаний будет соответствовать формуле Томпсона

[math]F=\frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}[/math]

Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада.

Недостатком вышеописанных генераторов является невысокая стабильность генерируемой частоты. Для её повышения применяются пьезокерамические и кварцевые резонаторы, включая их в цепи обратной связи вместо конденсатора или колебательного контура.

Схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты

В данной схеме кварцевый резонатор ZQ1 применён в цепи обратной связи, конденсатор С2 служит для подавления паразитной генерации на частотах отличных от частоты кварцевого резонатора. Конденсатором С1 можно в небольших пределах подстроить частоту генерации. Величину конденсатора С2 выбирают ориентировочно: 1 нФ для частоты 10 МГц, 10 нФ для частоты 1 МГц. Конденсатор С1 может иметь значение от единиц пФ до нескольких нФ в зависимости от частоты кварцевого резонатора. Для повышения стабильности частоты на выходе генератора полезно будет установить буферный каскад на логическом элементе.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

1.2.3 Входное сопротивление схемы неинвертирующего усилителя

Схема неинвертирующего усилителя относится к классу схем с параллельно-последовательной обратной связью. Напряжение с выхода схемы снимается параллельно и затем через обратную связь вводится на вход усилителя последовательно с входным сигналом. При этом напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения. Данная ситуация иллюстрируется на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Схема прохождения сигнала обратной связи

За счет вычитания сигнала обратной связи из входного напряжения величина напряжения на входном внутреннем сопротивлении уменьшается с величиныдо величины:

. (1.17)

Отсюда следует:

. (1.18)

Следовательно, входной ток, протекающий через внутренний резистор равен

. (1.19)

Но это означает, что эквивалентное входное сопротивление схемы, измеренное наблюдателем на входе схемы, будет равно:

. (1.20)

Как видно из формулы 1.20, оно возросло враз по сравнению с внутренним входным сопротивлением схемы операционного усилителя без обратной связи. Следует заметить, что здесь имеется в виду собственное входное дифференциальное сопротивлениеоперационного усилителя .На практике, если к входу ОУ подключен дополнительный резистор, соединенный с общим проводом, то входное сопротивление такой схемы будет меньше, и его следует рассчитывать по формуле параллельного соединения входного сопротивления ОУ и дополнительного резистора, подключенного параллельно входу ОУ.

1.2.4 Роли отрицательной обратной связи в стабилизации коэффициента усиления схемы усилителя

Допустим, что величина коэффициента усилителя микросхемы, равная может изменяться на величинупод действием дестабилизирующих факторов (например, при изменении температуры или напряжения питания). Оценим, как это скажется на величине коэффициента усиления схемы усилителя с обратной связью:

. (1.21)

Дифференцируя формулу по переменной, получим:

. (1.22)

С учетом того, что до начала изменений величины коэффициент усиления был равен согласно (1.15) величине, выражение (1.18) можно записать в виде:

(1.23)

Из (1.23) можно сделать вывод о том, что относительные изменения коэффициента усиления уменьшаются в раз по сравнению с относительными изменениями величины усиления микросхемы.Как видно из полученных соотношений, при большом петлевом усиленииэто снижение может быть многократным.Следует заметить, что наряду с уменьшением относительных нестабильностей снижаются также нелинейные искажения. Кроме того, как будет показано далее, полоса частот усиления увеличивается при введении отрицательной обратной связи. При определенных условиях полоса частот увеличивается враз.

1.2.5 Дифференциальная схема включения операционного усилителя.

В усилителе, изображенном на рисунке 1.6, сочетаются две предыдущие схемы включения ОУ: инвертирующая схема и неинвертирующая схема. Дифференциальная схема имеет два входа, на которые подаются сигналы: и.

Рисунок 1.6 – Схема усилителя дифференциального сигнала на ОУ с коэффициентом усиления, равным 1

На выходе усилителя мы получаем разностный сигнал:

. (1.24)

Для доказательства этого составим уравнения токов и напряжений в данной схеме. Положим, что операционный усилитель идеальный, т.е. входные токи ОУ равны нулю. Разность входных напряжений ОУ также равна нулю. Коэффициент усиления микросхемы . Положим, что все резисторы на схеме имеют одинаковое сопротивление, равноеR. Запишем соотношения для токов и напряжений в данной схеме.

(1.25)

С учетом этого равенства можно записать:

, (1.26)

Откуда следует:

(1.27)

Для цепи неинвертирующего входа можно записать соотношение:

(1.28)

Так как у идеального усилителя , то, приравняв, получим:

(1.29)

Рассмотренная схема может быть применена при передаче сигналов по двухпроводной линии и, в частности по так называемой витой паре проводов. Схема передачи изображена на рисунке 1.7. Основная особенность схемы состоит в том, что сигнал на передающем конце линии превращают в два сигнала, находящихся в противофазе друг с другом, и эти сигналы вводят в два провода линии передачи. На выходе линии два провода линии подключают к двум входам дифференциальной схемы, изображенной на рисунке 1.6. В дифференциальной схеме входные сигналы вычитаются. При этом помехи, наведенные на провода передающей линии от мощных источников электромагнитного излучения, (таких как сварочные аппараты, трамваи, электродвигатели различных механизмов и др.), приходят на входы дифференциального усилителя водинаковой фазе,вычитаются, и в результате ослабляются в значительной степени.

Полезные сигналы, приходящие по двум проводам в противофазе, на выходе приемной схемы складываются при вычитании на приемной стороне. В результате амплитуда сигнала на выходе удваивается. Таким образом, в данной схеме мы имеем положительный результат: существенное уменьшение уровня помех относительно уровня полезного сигнала.

Дополнительно сделаем следующее замечание. В схеме, алогичной схеме, изображенной на рисунке 1.7, можно получить усиление сигнала в Nраз, если заменить резистор в цепи отрицательной обратной связи и резистор в цепи делителя напряжения на неинвертирующем входе на резисторы, имеющие величинуNR, как это показано на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Схема усилителя дифференциального сигнала на ОУ с коэффициентом усиления, равным N

Приставка для увеличения входного сопротивления мультиметра

Измерительная техника

Главная  Радиолюбителю  Измерительная техника

---

Автор предлагает приставку, повышающую входное сопротивление мультиметров, для измерения напряжения в высокоомных цепях.

Большинство производимых сегодня мультиметров (UNI-T, APPA ME-TERMAN и т. д.) имеют входное сопротивление не более 10MОм. Однако в некоторых случаях, когда измерения проводят в высокоомных цепях, этого может оказаться недостаточным. Автор статьи столкнулся именно с такой проблемой. Её решение оказывается наиболее простым, если использовать буферный повторитель напряжения, к выходу которого подключают мультиметр. Такую приставку проще всего собрать на основе операционного усилителя (ОУ). Важен выбор самого ОУ, который должен иметь высокое входное сопротивление. Желательно также, чтобы он имел возможно широкий интервал входного напряжения. Выбор пал на недорогой ОУ LF356 с полевыми транзисторами на входе. Напряжение питания его находится в пределах 2×5…2×22 В и максимальное входное напряжение (которое должно оставаться меньше питающего) — ±20 В. Входное сопротивление микросхемы равно 1 ТОм, а входная ёмкость — 3 пФ.

Первоначальный вариант такой приставки был собран с питанием от сети, но из-за трудноустранимых сетевых наводок в конечном итоге использовано автономное питание от двух батарей «Крона» (6F22, 6LF22, 6LR61) напряжением по девять вольт. Приставка собрана в экранированном корпусе размерами 115x85x55 мм, спаянном из фольги-рованного стеклотекстолита. Заметим здесь, что из-за высокого входного сопротивления приставки должны быть применены коаксиальные входные клеммы. Схема этой простой приставки, содержащей минимум элементов, приведена на рис. 1, а общий её вид — на рис. 2. Приставка потребляет ток около 5 мА. Ввиду простоты схемы чертёж печатной платы не приводится.

Рис. 1. Схема приставки

Рис. 2. Внешний вид приставки

Подстроечный резистор R4 служит для установки нуля на выходе приставки при отсутствии постоянного напряжения на входе. Цепь из светодиода HL1, стабилитрона VD1 и резистора R6 служит для индикации включения питания. При уменьшении напряжения каждой батареи до 7,8 В светодиод полностью гаснет.

В качестве «подсобного инструмента» для измерения входного сопротивления был использован прецизионный конденсатор с полистирольным диэлектриком К71-7 ёмкостью 0,1 мкФ (±0,5 %) и номинальным напряжением 250 В. Для того чтобы определить сопротивление утечки конкретного экземпляра, конденсатор заряжался до напряжения 30 В и отключался от источника. Через каждый час напряжение на нём измерялось высокоомным вольтметром. В течение первых часов напряжение уменьшалось приблизительно по экспоненциальному закону с постоянной времени Т ≈ 8·10⁵ с. Отсюда можно вычислить сопротивление утечки — R ≈ 8000 ГОм.

В приставке применены резисторы КЛМ (Rl -R3). Сопротивление этих резисторов, помимо десятипроцентного разброса, подвержено также старению (тем более, что срок хранения применённых резисторов ещё советского про изводства достигал 40 лет). Сопротивление резисторов было измерено омметром с пределом измерения 400 МОм. Измеренное суммарное сопротивление резисторов R2 и R3 оказалось равным 230 МОм. Номинальное сопротивление резистора R1 — 10 ГОм. Проведённые измерения с помощью источника напряжения и аттенюатора показали, что реальное сопротивление этого резистора 8430 МОм.

Дальнейшие измерения напряжения на упомянутом разряжаемом конденсаторе, подключённом к ОУ, показали, что для постоянного тока этими резисторами определяется входное сопротивление приставки. Им для входа 1 является сопротивление резисторов R2 и R3 — 0,23 ГОм, а для входа 2 сопротивление резисторов R1-R3 — 8,66 ГОм.

Отметим, что выбором резисторов R1-R3 входные сопротивления при необходимости могут быть значительно увеличены. Однако заметим также, что неинвертирующий вход микросхемы (вывод 3) всё же через резистор (пусть достаточно большого сопротивления) должен быть соединён с общим проводом. Вывод 4 минусового источника питания находится рядом с выводом 3. И если исключить этот резистор, то входное сопротивление повторителя оказывается настолько большим, что сопротивление между этими выводами оказывается сравнимым с входным сопротивлением повторителя. В результате и при отсутствии входного напряжения на выходе появляется отрицательное напряжение относительно общего провода (в моём случае оно оказалось -6,6 В).

При напряжении питания 2×9 В линейная зависимость между входным и выходным напряжениями (их равенство при использовании входа 1) сохранялась до входного напряжения ±7,1 В. При напряжении питания ±7,9 В это значение уменьшилось до ±5,5 В. С учётом этого максимальное входное напряжение для входа 1 — ±5 В. Для входа 2 оно равно ±200 В. В последнем случае, чтобы получить истинное значение входного напряжения, нужно измеренное мультиметром напряжение умножить на коэффициент пересчёта: k = (R1+R2+R3)/(R2+r3). В нашем случае k = 37,65.

C помощью приставки к мультиметру можно измерять и переменное напряжение. С точностью ±1 % выходное напряжение равно входному (при использовании входа 1) для полосы частот 0…2 МГц. Для входа 1 и частоты 100 Гц входное сопротивление равно 100 МОм, а для входа2 — 350 МОм. При повышении частоты измеряемого напряжения входное сопротивление уменьшается пропорционально увеличению этой частоты.

Шум на выходе включённой с открытым входом приставки измерялся мультиметром APPA-109N. Этот прибор измеряет переменное напряжение с разрешением 1 мкВ до частоты приблизительно 250 кГц (с калиброванной погрешностью до 100 кГц). При минимизации внешних наводок (таких, например, как электрическая сеть рядом с приставкой и пр.) напряжение шума — менее 1 мкВ.

В заключение отметим, что, помимо применённой микросхемы, могут быть использованы и другие, например, LF155, LF355, TL061, TL071. Для двух последних сопротивление подстроечного резистора R4 следует увеличить до 100 кОм.

Автор: А. Гаврилов, г. Таллинн, Эстония

Дата публикации: 05.04.2018

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу: