Еще одно применение операционного усилителя в качестве компаратора, т. е. устройства для сравнения между собой двух различных величин, например напряжений. Пусть одно из этих напряжений подается на один вход усилителя, второе — на другой.
Компаратор.
В этом устройстве нет отрицательной обратной связи и высокий собственный коэффициент усиления используется полностью. Если напряжение U1 хотя бы немного (на несколько микровольт) больше напряжения U2, то потенциал на выходе устройства принимает максимально возможное значение, несколько меньшее напряжения питания. В этом случае говорят, что усилитель «вошел в насыщение». Если же напряжение U1, меньше U2, то потенциал на выходе принимает такое же, но отрицательное значение. Следовательно, компаратор имеет «релейную» характеристику и выдаст на выходе только два дискретных значения. Их можно назвать единица (1) и нуль (0) как это принято в цифровой технике. Да и сам компаратор чаще всего используют в устройствах для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, сокращенно АЦП, что означает аналого-цифровой преобразователь. Ну а раз уж мы заговорили о цифровой технике, то следует рассказать о ней подробнее. Многие другие аналоговые устройства: преобразователи частоты, модуляторы, детекторы, генераторы и т. д. мы разберем на конкретных примерах в следующих главах. Итак…
Цифровые интегральные микросхемы
Все мы, часто не осознавая, стремимся в жизни к твердости, определенности и уверенности. Ваш «Да», так да, «Нет» — так нет. И в цифровой электронной технике разработчик и пользователь должны быть уверены: если устройство выдаст на выходе «единицу», так это — единица, а не что-нибудь другое. Обычно 1 соответствует высокий уровень выходного напряжения, а 0 — низкий. Логические уровни 1 и 0 практически не должны зависеть от того, подключаем мы на выход устройства какую-нибудь нагрузку или нет. Отсюда следует, что одним из основных «кирпичиков» цифровой электроники должен быть усилитель, твердо устанавливающий на выходе значения логических уровней. Очень часто в цифровом сигнале бывает необходимо поменять значения уровней между собой, т. е. иметь на выходе 0, если на входе 1, и наоборот. Всеми этими свойствами обладает инвертор, на схеме условно обозначаемый прямоугольником, а кружок у выходного проводника означает инвертирование сигнала.
Инвертор.
Слово «усилитель» мы не зря поставили в кавычки, ведь усиления напряжения сигнала в цифровых микросхемах не происходит. Более того, все микросхемы одной серии проектируют с одним и тем же напряжением питания и одинаковыми логическими уровнями. Но выходной ток логического элемента, например инвертора, может быть значительно больше входного. В справочниках указывается коэффициент разветвления по выходу, показывающий, сколько входов других элементов можно подсоединить к выходу данного элемента без нарушения работоспособности. Обычно он бывает около десяти.
Два инвертора, соединенные последовательно, точно повторяют цифровой входной сигнал. Они могут служить, например, регенератором телеграфного сигнала, искаженного помехами. Обратите внимание, насколько регенератор на логических элементах проще и надежнее электромеханического реле! Ну а что касается быстродействия, то тут и сравнивать нельзя. Если хорошее малоинерционное реле может переключаться 100, ну от силы 300 раз в секунду, то полупроводниковый инвертор способен переключаться десятки, а если он построен на особо быстродействующих микросхемах, то и сотни миллионов раз в секунду! Он способен обрабатывать сигналы с полосой до сотен мегагерц, т. е. передаваемые со скоростью сотни мегабит в секунду!
Регенератор цифрового сигнала.
Значительно большими логическими возможностями обладает двухвходовый инвертор, или элемент 2И-НЕ. Прежде чем описывать его работу, давайте рассмотрим устройство этого элемента, выбрав один из самых распространенных — К155ЛАЗ. Снаружи — это стандартный пластмассовый корпусе с 14 выводами и с габаритными размерами 10 х 20 х 4 мм. Один вывод соединяется с общим проводом («массой», «землей»), на другой — подается напряжение питания + 5 В. Остальные выводы — входы и выходы элементов. Всего в корпусе их четыре. Схема одного из элементов показана на рисунке.
Элемент 2И-НЕ.
Сразу бросается в глаза необычный вид первого транзистора — у него два эмиттера, соединенные с двумя входами. Ничего удивительного, просто это — транзистор с двумя независимыми эмиттерами. Их может быть и больше. Например в элементе К155ЛА2 восемь входов и соответственно восемь эмиттеров у первого транзистора. Если хотя бы на один эмиттер подан низкий потенциал (логический 0) или просто вход соединен с общим проводом, через эмиттерный переход пойдет ток, и первый транзистор V1 откроется, закрыв второй транзистор V2. При этом на базу транзистора V3 будет подан ток, проходящий через резистор коллекторной нагрузки транзистора V2. Транзистор VЗ откроется. В это время V4 будет закрыт, поскольку ток базы у него отсутствует. На выходе элемента окажется высокий уровень напряжения (логическая 1). Если же на всех входах будет высокий уровень напряжения, транзистор V2 откроется, открывая и V4, a V3 будет закрыт из-за большого падения напряжения на коллекторной нагрузке транзистора V2. На выходе элемента будет низкий уровень напряжения (логический 0).
Сейчас уже редко пользуются принципиальными схемами микросхемы. Предпочитают нарисовать прямоугольник — условное обозначение элемента, а рядом — таблицу его состояний в зависимости от уровней напряжений на входах. Обратите внимание на значок в левом верхнем углу. Он означает, что элемент работает именно так, как указано в таблице. Элементы, действующие в соответствии с другой таблицей состояний, обозначаются и другими значками.
Какие устройства можно выполнить на двухвходовом элементе &(2И-НЕ)?
Великое множество. Например, выключатель сигнала.
Коммутатор цифрового сигнала на двухвходовом элементе 2И-НЕ.
Пусть на один вход поступает цифровой сигнал. Если на другой вход подать логическую 1, то на выходе выделится инвертированный сигнал. А если на другой (управляющий) вход подать 0? На выходе будет 1, и цифровой сигнал через инвертор не пройдет.
Другой интересный элемент цифровой электроники — триггер. Поскольку многие слова, и это в том числе, пришли в электронику из английского языка, полистаем англо-русский словарь. Trigger — защелка, спусковой крючок. Сразу всплывают в памяти рассказы об охотниках, индейцах… Стараясь не шуметь, не наступить ненароком на сухую ветку, пробираемся по звериной тропе. Цель где-то близко. Осторожно взводим курок ружья. Слабый щелчок, и курок остался во изведенном положении. Спусковой механизм смазан и отрегулирован, теперь достаточно легкого нажима на спусковой крючок, и курок вернется в исходное положение — грянет выстрел!
Итак, триггер является устройством, которое может находиться в двух устойчивых состояниях: взведен — 1, спущен — 0. Причем в каждом из состояний триггер может пребывать как угодно долго, и никаких внешних воздействий для поддержания этого состояния не требуется. Внешнее воздействие нужно только для переключения триггера из одного состояния в другое. Собственно, свойствами триггера обладает выключатель электрической лампы в вашей комнате. Но и в охотничьем ружье, и в выключателе триггерными свойствами наделены механические устройства с крючками, защелками и пружинами. А вот и схема простейшего триггера на двух транзисторах — без всяких пружин и механических движущихся частей.
Триггер на транзисторах.
Если транзистор V1 открыт, то его коллекторный ток создает большое падение напряжения на коллекторной нагрузке R1, следовательно, коллектор V1 и база V2 имеют низкий потенциал. Значит, транзистор V2 закрыт, а ток через резистор R2 идет к базе транзистора V1, открывая его полностью, до насыщения. Чтобы «перебросить» триггер в другое состояние, достаточно приоткрыть транзистор V2 коротким импульсом напряжения, поданным на его базу.
