Клод Галле - Как проектировать электронные схемы

Пользователям переносных компьютеров и сотовых телефонов хорошо знаком «эффект запоминания». Если аккумулятор начинают перезаряжать, когда он еще не полностью разрядился, его емкость после отключения зарядного устройства будет равна той, что он имел до перезарядки. Иначе говоря, либо аккумулятор надо постоянно оставлять на зарядке, либо надо дождаться его полной разрядки, а затем зарядить. В противном случае срок службы батарей существенно сокращается. По этой причине «разумные» зарядные устройства полностью разряжают аккумулятор перед его зарядкой. Разработаны новые типы аккумуляторов, например никель-марганцевые или литий-ионные, свободные от такого недостатка. Они значительно дороже, но имеют более широкие возможности применения.

СОГЛАСОВАНИЕ КМОП И ТТЛ СХЕМ

Еще совсем недавно все логические интегральные схемы принадлежали к семейству транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Их маркировка начиналась с цифр 74, за которыми следовали буквы LS или ALS. Затем появились КМОП схемы типа CDXX и, наконец, комбинированные микросхемы, сочетающие преимущества обоих семейств (например, 74НС и 74НСТ).

Элементы ТТЛ типа по быстродействию превосходят КМОП микросхемы, но потребляют значительно больше энергии; напряжение питания для них равно 5 В. Схемы на КМОП транзисторах отличаются исключительно малым потреблением тока, особенно при низкой частоте переключения, и способны работать при напряжении питания от 3 до 15 В. Недостатком таких приборов является их высокая чувствительность к статическому электричеству. Чтобы при соприкосновении с изделиями из синтетических материалов приборы не выходили из строя, необходимо принимать специальные меры защиты.

В настоящее время оба типа микросхем широко распространены, и нередко возникает необходимость сочетания в одном устройстве двух интегральных схем (ИС) различных типов. Это не вызывает трудностей, если их напряжения питания совпадают. В противном случае между выходом одной микросхемы и входом другой нужно добавить согласующий каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 2.1). Следует помнить, что такой каскад инвертирует логические сигналы, и для восстановления полярности выходных импульсов после него потребуется включить дополнительный инвертор.

Напомним также, что неиспользуемый логический вход (ТТЛ или КМОП элементов) никогда не должен оставаться свободным. Его следует подключить через резистор к напряжению V cc, V ss (в зависимости от типа вентиля) или к точке с подходящим потенциалом, выбрав наиболее простой вариант соединения для данного рисунка печатной платы.

ИСТОЧНИК АВАРИЙНОГО ПИТАНИЯ

Иногда необходимо поддерживать питание устройства в течение некоторого времени, даже если напряжение сети отключается. Это важно, например, для цифровых часов, которые должны вести непрерывный счет времени.

В случае кратковременного прерывания питания можно подключить к источнику напряжения конденсатор большой емкости, соблюдая при этом необходимые меры предосторожности (см. раздел « Выходной конденсатор »). Гораздо надежнее другой вариант, не требующий больших затрат: использование батарейки и диода, предотвращающего протекание тока в обратном направлении (рис. 2.2).

Такое решение не потребует большого дополнительного места. Установка аккумулятора (вместо батарейки) оправдана лишь в редких случаях, например для питания микроконтроллера.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Присоединение неиспользуемых входов

Иногда один из операционных усилителей (ОУ) микросхемы, в корпусе которой размещаются два или четыре ОУ, не применяется. Подчас это делается преднамеренно, как, например, при использовании микросхемы LM324 (счетверенный ОУ), которая обычно дешевле, чем сдвоенный аналог LM358. В этом случае возникают проблемы паразитных колебаний и избыточного потребления. Для их разрешения неиспользуемые входы следует соединить по схеме повторителя напряжения, то есть вход «+» с общей точкой, а вход с выходом (рис. 2.3).

Уровни выходного сигнала

Операционный усилитель может с одинаковым успехом использоваться как в аналоговых приложениях (в усилителях и генераторах гармонических сигналов), так и в цифровых. В технической документации, прилагаемой к этому компоненту, среди прочих характеристик указывают максимальный уровень выходного сигнала по отношению к напряжению питания. Известная микросхема LM324, например, имеет типичный уровень сигнала -1,5 В. Таким образом, при питании 5 В напряжение на ее выходе никогда не превысит 3,5 В. Это может мешать запуску логической схемы, порог переключения которой не адаптирован к такому уровню, или обеспечению питания нагрузки, требующей более высокого напряжения (хотя LM324 может обеспечить достаточный ток). В этом случае включение реле DIP 5 В становится ненадежным.

В зависимости от того, к какому источнику подключен светодиод (к V cc или V ss), он либо никогда полностью не погаснет, либо будет гореть с меньшей интенсивностью. В подобных случаях на выходе операционного усилителя рекомендуется поставить буферный каскад на транзисторе.

Объединение выходов операционных усилителей

Иногда при использовании ОУ в качестве компараторов напряжения возникает необходимость объединения их выходов. Разумеется, такую операцию нельзя проводить с моделями, для которых подобный вид соединения не предусмотрен (например, LM324). Микросхема LM389 имеет на выходе каскад на транзисторе n-p-n типа с открытым коллектором (см. раздел « Каскады с открытым коллектором ») и допускает такое соединение. Типичное применение такой схемы — отслеживание аналоговой величины (например, напряжения батареи) и выдача сигнала в случае ее выхода за пределы заданного диапазона (рис. 2.4). Оба усилителя включены по схеме компаратора, один для верхнего порога, другой — для нижнего.

Когда контролируемое напряжение находится в допустимых пределах, на выходе каждого компаратора имеется состояние логической единицы (выходной транзистор выключен). Когда же напряжение выходит за заданные рамки, логическое состояние на выходе изменяется на противоположное.

Объединение выходов применяется также в устройствах, в которых аналого-цифровое преобразование выполняется путем сравнения напряжений, где один и тот же бит (выход всех компараторов) служит для считывания результатов многих преобразований. Во всех случаях не следует забывать о подключении нагрузочного резистора, общего для всех компараторов, к положительному выводу источника питания.