2. circuite analogice de comutaţieftufescu/circuite de comutatie.pdfflorin mihai tufescu...
Post on 24-Jun-2018
384 Views
Preview:
TRANSCRIPT
FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)
89
2. Circuite analogice de comutaţie .
Circuitele cu funcţionare în regim de comutaţie au două stări
stabile între care suferă o trecere rapidă : o stare de conducţie şi o
stare de blocare. Circuitele pot fi folosite pentru controlul unor
semnale de transmis care să fie digitale (având doar două valori
discrete posibile la intrare) sau analogice (când semnalele la intrare
variază în mod continuu). În cele ce urmează se vor studia circuitele
de comutaţie analogice care sunt şi ele de două tipuri :
a) circuite comparatoare: la care chiar semnalul aplicat la intrare,
prin nivelul său , provoacă comutarea ieşirii într-o anumită stare;
b) comutatoare analogice: la care semnalele aplicate în intrări
(circuitul având de regulă mai multe intrări) sunt transmise la ieşire
sau blocate, în funcţie de comanda aplicată asupra unei intrări speciale
(numită intrare de comandă).
2.1. Comparatoare de tensiune.
2.1.1. Introducere. Tipuri de comparatoare.
Comparatorul de tensiune este un circuit, care are două intrări şi o
ieşire, având structura unui AO fără reacţie. Pe una din intrări se
aplică o tensiune fixă, denumită tensiune de prag PV , iar pe cealaltă
intrare se aplică o tensiune care este comparată cu PV . În urma
comparaţiei stabileşte una din cele două valori posibile la ieşire:
0100 VvVv Pin
(2.1)
0200 VvVv Pin
Se constată că pentru Pin Vv starea ieşirii este nedefinită şi
această situaţie nu trebuie să apară. De obicei se aplică o reacţie care
modifică la comutarea circuitului nivelul PV .
CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE
90
După modul în care se aplică la intrări cele două tensiuni care se
compară pot fi :
1) Comparator neinversor la care inv se aplică pe intrarea
neinversoare iar PV pe intrarea inversoare.
SPin VvVv 00
(2.2)
JPin VvVv 00
unde SV0 este nivelul înalt al tensiunii de ieşire,
JV0 este nivelul coborât al tensiunii de ieşire
În cele mai multe cazuri comparatorul este alimentat, ca şi AO, cu
tensiune dublă simetrică cccc VV , . În aceste cazuri SV0 este egal
aproximativ cu ccV , iar JV0 este egal cu aproximativ ccV . În fig.
2.1. se prezintă schema de principiu a unui comparator neinversor şi
caracteristica de transfer.
Fig.2.1.Schema de principiu a unui comparator neinversor
şi caracteristica de transfer în cazul alimentării simetrice.
2) Comparator inversor la care inv se aplică pe intrarea
inversoare iar PV pe intrarea neinversoare. În acest caz :
FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)
91
VPin VvVv 00
(2.3)
oSPin VvVv 0
unde explicaţiile pentru mărimile notate au fost prezentate anterior.
Cele două tipuri de comparatoare descrise se numesc cu intrare
diferenţială, tensiunile de comparat fiind aplicate pe intrări diferite.
Este posibil ca cele două tensiuni să fie aplicate pe aceeaşi
intrare, caz în care comparatorul se numeşte cu intrare sumatoare, iar
tensiunile de comparat trebuie să aibă semne opuse.
În forma lui cea mai simplă un comparator este capabil să
formeze un semnal logic. În fig.2.2.se prezintă acţiunea compara-
torului din fig.2.1. asupra unui semnal cu variaţie analogică.
Fig.2.2.Acţiunea comparatorului neinversor diferenţial
asupra unui semnal analogic.
3) Comparator cu fereastră .
Comparatorul cu fereastră este folosit pentru a stabili dacă
tensiunea de intrare se află în interiorul sau în exteriorul unui
domeniu ales. În fig.2.3. se prezintă schema bloc a acestui circuit care
conţine două comparatoare. Pe intrarea neinversoare a comparatorului
1C se aplică nivelul de comparaţie coborât PJV , iar pe intrarea
inversoare a comparatorului 2C se aplică nivelul de comparaţie ridicat
CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE
92
PSV . Prin modul de conectare al diodelor 1D şi 2D tensiunea de
ieşire 0v va fi nulă în interiorul ferestrei şi maximă în exteriorul ei.
Fig.2.3. Comparator cu fereastră şi caracteristica de transfer.
4) Comparator cu histerezis .
În funcţionarea comparatoarelor de tensiune apar două probleme :
Comutarea ieşirii de la nivelul de jos la cel de sus se face într-un
timp finit dat de viteza de variaţie a semnalului aplicat la intrare şi de
viteza de creştere a comparatorului (SR slew rate). La acest timp se
adaugă şi durata necesară trecerii comparatorului din regiunea de
saturaţie în regiunea liniară de funcţionare.
Dacă semnalul de intrare trece lent prin valoarea tensiunii de prag
stabilită şi suplimentar apar chiar zgomote în circuit atunci starea
ieşirii devine incertă şi apar basculări între cele două nivele.
Comparatorul cu histerezis reduce efectele prezentate prin structura sa
care are prevăzută o reacţie pozitivă care creşte amplificarea
circuitului peste limita de stabilitate provocând o comutare prin
avalanşă, proces care continuă chiar dacă dispare cauza. Se obţin două
mari avantaje: a) creşte viteza de comutare, bascularea devine
independentă de viteza semnalului aplicat la intrare şi este limitată
doar de rata de creştere a AO cu care este realizat comparatorul;
b) răspunsul ieşirii comparatorului este sigur,chiar la viteze lente de
variaţie a semnalului la intrare şi în prezenţa zgomotelor, deoarece
FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)
93
comutările au loc la valori de prag diferite între care apare o tensiune
de histerezis.
În fig.2.4. se prezintă schema electrică a unui comparator inversor
cu histerezis. Tensiunea de prag se obţine din tensiunea de ieşire prin
divizorul realizat cu rezistoarele fR şi R . Tensiunea de ieşire are
valorile SV0 şi JV0 astfel că vor rezulta două valori pentru tensiunea
de prag date de relaţiile:
J
f
PJ VRR
RV 0
(2.4)
S
f
PS VRR
RV 0
(2.5)
Fig.2.4. Schema electrică a unui comparator inversor cu
histerezis.
În fig.2.5. este dată caracteristica de transfer a comparatorului cu
histerezis din fig.2.4.
La creşterea tensiunii de intrare tensiunea de ieşire evoluează pe
curba 1-2-3-4 având iniţial nivelul SV0 care se menţine până la PSV ,
iar la scăderea tensiunii pe intrare de la un nivel superior lui PSV ,
tensiunea de ieşire evoluează pe curba 4-3-2-1, fiind la nivelul JV0
până ce tensiunea de intrare coboară sub nivelul PJV .
CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE
94
Nivelele de prag pot fi modificate prin acţionarea rezistorului
semireglabil R .
Fig.2.5.Caracteristica de transfer a circuitului din fig.2.4.
Acest mod de realizare a tensiunilor de prag conduce la o
funcţionare în jurul originii axelor. În fig.2.6. se prezintă o variantă de
comparator care realizează acelaşi domeniu pentru histerezis dar
tensiunile de prag sunt ambele pozitive.
Fig.2.6. Comparator cu histerezis la care tensiunile de prag
sunt ambele pozitive.
Montajul este capabil sa urmărească evoluţia unei mărimi si să
semnalizeze iesirea din domeniul acceptat putând comanda elementele
de reglaj în aşa fel încât să o menţină în "fereastră".
FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)
95
Fig.2.7. Caracteristica de transfer a circuitului din fig.2.6.
2.1.2. Aplicaţii ale comparatoarelor .
Cele mai multe aplicaţii ale comparatoarelor utilizează
comparatoare integrate. Un comparator tipic este circuitul LM339 ale
cărui caracteristici sunt prezentate la sfârşitul acestui capitol. O
particularitate este tranzistorul de ieşire cu colectorul în gol care
necesită conectarea unei rezistenţe externe de sarcină la o tensiune
pozitivă , de regulă tensiunea ccV care alimentează circuitul. În fig.
2.8. se prezintă schema unui comparator neinversor realizat cu LM339
(1/4 din capsula care conţine 4 comparatoare identice) .
Fig.2.8. Schema unui comparator neinversor realizat cu LM339.
CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE
96
1) Formarea semnalelor dreptunghiulare din semnale analogice. O
astfel de transformare este prezentată în fig.2.2. Dacă intrarea
inversoare a unui comparator neinversor este ţinută la zero, la ieşire
vor fi obţinute impulsuri dreptunghiulare de tensiune care au acelaşi
sens cu tensiunea de intrare, realizându-se un detector de trecere prin
zero. În fig.2.9. se prezintă diagramele de funcţionare ale unui astfel
de circuit.
Fig.2.9. Diagramele de funcţionare ale unui detector de
trecere prin zero .
2) Comparatorul cu fereastră este un circuit utilizat la
supravegherea unei mărimi electrice. Dacă tensiunea de intrare se află
în interiorul "ferestrei" dioda LED este aprinsă (fig.2.10.) .
Fig.2.10. Realizarea unui comparator cu fereastră cu indicator optic .
FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)
97
Un astfel de circuit permite sortarea automată a componentelor
electronice în liniile de producţie industriale.
3) Conversia analog-digitală şi digital-analogică a semnalelor
reprezintă o categorie specială a aplicaţiilor specifice comparatoarelor.
Aceste aspecte vor fi discutate în capitolul 4.
2.1.3. Comparatorul LM339 .
Unul dintre cele mai utilizate comparatoare integrate este LM339.
Circuitul conţine 4 comparatoare care au fiecare o schemă electrică ca
în fig.2.11.
Fig.2.11. Schema electrică a unuia din cele patru comparatoare
conţinute în circuitul LM339 produs de ST MICROELECTRONICS .
Se observă că pentru a funcţiona, comparatorul trebuie conectat
cu terminalul de ieşire la +Vcc printr-un rezistor. Aceasta este o
structură numită „cu colectorul în gol” care permite alegerea optimă a
rezistorului de sarcină în funcţie de aplicaţie.
CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE
98
Caracteristici electrice principale ale circuitului LM339ST. Simbol Parametrul Valori Unitati
Vcc Tensiune de alimentare ±18 ÷ +36 V
Vid Tensiune diferenţială de intrare ±36V V
Vi Tensiune de intrare -0,3 ÷ +36 V
tr Timp de răspuns (Rs = 5,1KΩ) 1,3 μs
Pd Putere disipată DIP14
SO14 TSSOP14
1500
830 710
mW
Tstg Temperatură de stocare -65 ÷ +150 0C
Tj Temperatura joncţiunii +150 0C
Fig.2.12. Schema de conexiune a terminalelor la LM339-ST
2.2. Comutatoare analogice .
2.2.1. Introducere .
Un circuit de comutare analogică este în principiu un
"întrerupător electronic" comandat care permite sau nu permite
trecerea semnalului de la intrare la ieşire. Există foarte multe aplicaţii
ale comutatoarelor analogice din care pot fi enumerate:
multiplexoare şi demultiplexoare analogice;
modulatoare de tip chopper (tocător);
circuite de eşantionare şi memorare;
divizoare de tensiune programabile;
circuite de conversie A/N şi N/A;
generarea de semnale.
FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)
99
Un comutator electronic trebuie să satisfacă câteva cerinţe:
1) Să aibă o rezistenţă echivalentă redusă în regim de conducţie de
ordinul 10010 (de ex. la MMC 4066 80ONr ) ;
2) Să prezinte o rezistenţă foarte mare în starea de blocare
( 910OFFr ) ;
3) Să nu existe cuplaj între circuitul de comandă şi calea comandată ;
4) Să aibă o liniaritate bună în raport cu nivelul semnalului
transmis:max 0,5% distorsiuni la nivelul maxim de intrare ;
5) Timp de răspuns scurt la tensiunea de comandă. În cazul existenţei
a mai multe canale MHzf 10 ;
6) Rezistenţe în starea de conducţie cât mai apropiate. În cazul
existenţei a mai multe canale 5ONr ;
7) Diafonie (cuplaj) cât mai redus între comutatoare (crosstalk): -
50dB tipic.
Comutatoarele analogice pot comuta fie tensiunea , fie curentul.
A) Comutarea tensiunii se poate face utilizând schemele de
principiu din fig.2.11. în care comutatorul este reprezentat ca un
element "mecanic", comandat de o tensiune dreptunghiulară.
Fig.2.13. Comutatoare analogice de tensiune :
a) tip serie ; b) tip serie- paralel.
Condiţia este ca la ieşire, în momentul închiderii comutatorului
tensiunea 0v să fie identică cu inv .
B) Comutarea curentului poate fi realizată prin schemele de
principiu din fig.2.12.
CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE
100
Fig.2.14. Comutatoare analogice de curent :
a) tip paralel ; b) tip paralel-serie.
Curentul de ieşire este identic cu curentul de intrare independent de
valoarea sarcinii.
2.2.2. Realizarea circuitelor comutatoare analogice .
Comutatoarele analogice pot fi realizate prin utilizarea unor
dispozitive active "clasice" ca : diodele , tranzistoarele bipolare şi
tranzistoarele cu efect de câmp. În continuare se vor analiza variante
de comutare cu tranzistoare cu efect de câmp care realizează în
prezent cele mai performante circuite de comutare.
În fig.2.15. se prezintă schema unui comutator analogic de
tensiune tip serie realizat cu TECJ cu canal n. Dacă tensiunea de
comandă, care se aplică între grila şi sursa tranzistorului, este negativă
şi mai mare decât tensiunea de prag , PV , tranzistorul este blocat şi nu
permite trecerea semnalului de intrare inv spre ieşire. Dacă tensiunea
de comandă aduce tensiunea între grila şi sursa tranzistorului la zero,
atunci tranzistorul intră în conducţie, iar semnalul de intrare inv este
transmis la ieşire. Dezavantajul acestui circuit este cuplajul de nivel
între tensiunea de comandă şi tensiunea de intrare care impune
anumite condiţii de lucru.
FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)
101
Fig.2.15. Comutator analogic cu tranzistor TECJ canal n .
Există pericolul ca pentru a aduce tranzistorul în conducţie,
tensiunea grilă-sursă să devină pozitivă, ceea ce înseamnă absorbţie de
curent în circuitul de grilă şi cuplajul nepermis cu semnalul de intrare.
Comutatorul cu TECMOS este cea mai utilizată variantă de
circuit, realizând caracteristici deosebite. Se apelează la proprietatea
de izolare totală a grilei faţă de canal, indiferent de polaritatea
tensiunii aplicate acesteia faţă de sursă . Pentru a se asigura o excursie
mare a tensiunii de intrare, atât la valori pozitive cât şi la valori
negative faţă de masă, se utilizează o structură formată din două
tranzistoare TECMOS complementare conectate în paralel , unul tip n
şi celălalt tip p, realizându-se o structură de tip CMOS. În fig.2.16.
este prezentată o astfel de poartă de transmisie (comutator CMOS -
transmission gate).
Fig.2.16. Poarta de transmisie CMOS şi simbolul acesteia .
CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE
102
Poarta CMOS este deschisă când intrarea de control A este la
nivelul de sus DDV şi intrarea A este la nivelul de jos SSV . În
acest caz rezistenţa serie între intrare şi ieşire este foarte mică, ceea ce
înseamnă că poarta este în conducţie. Dacă intrarea de control A este
în starea de jos SSV iar A este la nivelul de sus DDV , poarta
ajunge în stare de blocare având o rezistenţă intrare-ieşire foarte mare
( 910OFFr ). Poarta de transmisie CMOS prezentată este simetrică
din punct de vedere al transmisiei semnalului.
2.2.3. Aplicaţii ale comutatoarelor analogice .
A. Multiplexoare şi demultiplexoare analogice.
În circuitele electronice apare necesitatea ca un anumit bloc să fie
conectat succesiv la diferite surse de semnal fără ca acestea să se
influenţeze.
Metoda utilizată este divizarea în timp, adică folosirea pe rând a
resurselor blocului de către fiecare din semnale un interval de timp .
Un ciclu de funcţionare va avea o durată n , dacă numărul total de
semnale este n . Acesta este procesul de multiplexare analogică în
domeniul timp. Procesul complementar este demultiplexarea
analogică în care n semnale care ajung prin aceeaşi linie sunt ghidate
succesiv către n ieşiri .
În fig.2.17. se prezintă schema bloc a unui multiplexor analogic.
Acesta are n intrări la care se aplică simultan semnalele şi n intrări
de comandă care pot comuta câte o intrare la ieşirea comună.
Multiplexorul este astfel comandat încât la un moment dat numai o
singură intrare este conectată la ieşire.
FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)
103
Fig.2.17. Schema bloc a unui multiplexor analogic cu n intrări.
În fig.2.18. este prezentată schema bloc a unui demultiplexor
analogic cu m ieşiri. Fiind conectat cu intrarea la o linie (cale) de
capacitate ridicată prin care circulă m semnale decalate în timp,
multiplexorul este capabil să le dirijeze succesiv către cele m ieşiri ale
sale. Desigur că pentru o funcţionare corectă trebuie să existe un
sistem de sincronizare care să aplice la momentul potrivit comanda
asupra celor m comutatoare.
Circuitele de multiplexare şi demultiplexare analogică au
numeroase aplicaţii dintre care :
Comutatoare analogice audio care schimbă sursa de semnal conectată
către amplificatorul de putere;
Selectoare pentru programul recepţionat în sistemele audio-video
(comandă acordul electronic prin diode VARACTOR) ;
Reglarea nivelului de tensiune prin comutarea unor reţele de
rezistoare în mod controlat ;
Sisteme de achiziţii de date cu multe canale ;
Transmisia analogică de date prin multiplexare .
CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE
104
Fig.2.18. Schema bloc a unui demultiplexor analogic cu m ieşiri.
B. Circuite de eşantionare şi memorare.(S/H - sample and hold)
Unui circuit S/H i se aplică un semnal analogic pe care acesta îl
urmăreşte (eşantionează) şi la momente de timp convenabil alese
extrage eşantioane de nivel pe care le memorează. Circuitul are deci
două etape în funcţionare:
1) faza de eşantionare (urmărire) ,S, în care semnalul de la ieşire
reproduce semnalul de la intrare ;
2) faza de memorare ,H , când semnalul de la ieşire este constant şi
egal cu valoarea avută în faza de eşantionare la aplicarea comenzii de
memorare.
Un circuit S/H este prezentat în fig.2.18. Este format dintr-un
comutator analogic de tensiune serie şi un condensator C care
realizează memorarea nivelului în faza H. Când comutatorul K este
închis se obţine invv 0 , iar capacitatea se încarcă la această tensiune.
La deschiderea comutatorului condensatorul C rămâne încărcat la
ultima valoare.
FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)
105
Fig.2.19. Descrierea procesului de eşantionare şi memorare.
În funcţionarea circuitelor S/H apar limitări legate de viteza de
urmărire a semnalului de ieşire faţă de cel aplicat la intrare şi de durata
memorării în condensator, fiind necesar un condensator cu pierderi
foarte mici. Apar două constante de timp: a) constanta de timp de
intrare CRii care este de dorit să fie cât mai mică pentru a creşte
viteza de urmărire şi b) constanta de timp de ieşire CRS0 care
trebuie să fie cât mai mare pentru a permite o memorare de durată
acceptabilă.
Pentru îmbunătăţirea performanţelor se pot utiliza repetoare cu
AO ca în fig.2.21.
Fig.2.20. Schema electrică de principiu a unui circuit S/H.
CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE
106
Fig.2.21. Circuit S/H cu performanţe îmbunătăţite utilizând 2 AO.
Principala aplicaţie a circuitelor de eşantionare şi memorare este
în conversia analog-digitală a semnalelor,ca circuite ce se află înaintea
convertorului analog-digital pentru a aplica acestuia o tensiune
constantă pe durata efectuării conversiei.
Fig. 2.22. Schema unui circuit S/H cu TECJ şi AO LM116 .
top related