Легендарные аналоговые микросхемы
Среди множества микросхем, представленных на современном рынке микроэлектронных компонентов, есть настоящие легенды, по праву заслужившие свою высокую репутацию.
В данной статье мы остановимся на рассмотрении четырех таких легендарных аналоговых микросхем, а именно: NE555, A741, TL431, и LM311.
Интегральный таймер NE555
Аналоговая интегральная микросхема NE555 является универсальным таймером. Она успешно служит во многих современных электронных схемах для получения повторяющихся или одиночных импульсов с постоянными временными характеристиками. Микросхема является по сути асинхронным RS-триггером, обладающим специфическими порогами входов, которые точно заданы внутренними аналоговыми компараторами и точным делителем напряжения.
Интегральная структура микросхемы включает в себя 23 транзистора, 16 резисторов и 2 диода. NE555 выпускается по сей день в различных корпусах, но наиболее популярна в корпусах DIP-8 и SO-8, именно в таком виде ее можно встретить на многих платах. Отечественные производители выпускают аналоги данного таймера под названием КР1006ВИ1.
История микросхемы NE555 начинается с 1970 года, когда уволенный в связи с экономическим кризисом, сотрудник американской микроэлектронной компании Signetics, специалист по схемам ФАПЧ, Ганс Камензинд, работая у себя в гараже, отладил схему ФАПЧ с ГУН, частота которого теперь не зависела от напряжения.
Эта разработка позже получила название NE566, и содержала все элементы будущего таймера NE555, включая компараторы, делитель напряжения, триггер и ключ. Схема могла вырабатывать треугольные импульсы с амплитудой задаваемой внутренним делителем, и с частотой задаваемой внешней RC-цепочкой.
Ганс Камензинд продал компании Signetics свою разработку, после чего предложил ее доработку до ждущего мультивибратора — генератора одиночных импульсов. Идею поддержали не сразу, однако руководитель отдела продаж компании Signetics, Арт Фьюри, настоял, и проект был одобрен, будущую микросхему назвали NE555 (NE от SigNEtics).
Доработка и отладка таймера заняли еще несколько месяцев, и в конце концов в 1971 году стартовали продажи NE555 в восьмивыводном корпусе по цене 75 центов. Сегодня функциональные аналоги оригинального NE555 выпускаются во множестве биполярных и КМОП-вариантов почти всеми крупными производителями электронных компонентов.
Рассмотрим теперь назначение выводов интегрального таймера NE555, это позволит читателю понять причину, по которой данная микросхема приобрела колоссальную популярность как среди специалистов, так и среди радиолюбителей.
Первый вывод — земля. Подключается к минусовому проводу источника питания.
Второй вывод — триггер. Когда напряжение на этом выводе ниже 1/3 напряжения питания, таймер запускается. При этом потребляемый данным входом ток не превышает 500 нА.
Третий вывод — выход. Когда таймер включен, напряжение на этом выводе на 1,7 вольт меньше напряжения питания, а максимальный ток данного вывода достигает 200 мА.
Четвертый вывод — сброс. При подаче на этот вывод напряжения низкого уровня, ниже 0,7 вольт, микросхема переходит в исходное состояние. Если сброс при работе в схеме не требуется, данный вывод просто соединяют с плюсом источника питания микросхемы.
Пятый вывод — контроль. Данный вывод находится под опорным напряжением, и присоединен к инвертирующему входу первого компаратора.
Шестой вывод — порог, стоп. При подаче на этот вывод напряжения выше 2/3 напряжения питания, таймер остановится и его выход будет переведен в состояние покоя.
Седьмой вывод — разряд. Когда на выходе микросхемы низкий уровень, данный вывод внутри микросхемы соединяется с землей, а когда на выходе микросхемы высокий уровень, данный вывод от земли отсоединен. Этот вывод способен выдержать ток до 200 мА.
Восьмой вывод — питание. Этот вывод подключается к плюсовому проводу источника питания микросхемы, напряжение которого может быть от 4,5 до 16 вольт.
Микросхема NE555 нашла широкое применение, благодаря своей универсальности. На ее основе строятся генераторы, модуляторы, реле времени, пороговые устройства и многие другие узлы различной электронной аппаратуры, разнообразие которой ограничено лишь фантазией и творческим подходом инженеров и разработчиков.
Примерами решаемых задач могут служить: функция восстановления искаженного в линиях связи цифрового сигнала, фильтры дребезга, импульсные источники питания, двухпозиционные регуляторы в системах автоматического регулирования, ШИМ-контроллеры, таймеры и многое другое.
Дополнительные материалы про микросхему NE555:
Интегральный таймер 555 – путешествие по Data sheet
Конструкции на интегральном таймере 555
Блок защиты от протечек воды
ШИМ – регулятор на базе интегрального таймера NE555 для регулирование яркости светодиодов
Операционный усилитель uA741
uA741 — операционный усилитель на биполярных транзисторах. Этот операционный усилитель второго поколения, разработанный в 1968 году инженером компании Fairchild Semiconductor, Дэвидом Фуллагаром, является модификацией операционного усилителя LM101, к которому требовался внешний конденсатор частотной коррекции. К uA741 внешний конденсатор уже не требовался, ибо здесь он сразу установлен на самом кристалле микросхемы.
Характеристики uA741 были совершенными для того времени, а простота применения микросхемы способствовала широкому ее использованию. Так uA741 стал универсальным типовым операционным усилителем, и по сей день его аналоги выпускаются очень многими производителями микроэлектронных компонентов, например: AD741, LM741, и отечественный аналог – К140УД7. Данные микросхемы выпускаются как в корпусах DIP, так и в чиповых.
В основе операционных усилителей лежит один и тот же принцип, отличия заключаются лишь в структуре. Операционные усилители второго и следующих поколений включают в себя следующие функциональные блоки:
Входной каскад — дифференциальный усилитель, обеспечивающий усиление при высоком входном сопротивлении и при малом уровне шума.
Усилитель напряжения с высоким коэффициентом, АЧХ спадает как в однополюсном фильтре низких частот. Здесь не дифференциальный, единственный выход.
Выходной каскад (усилитель), дающий высокую нагрузочную способность, низкое выходное сопротивление, и обеспечивающий защиту от короткого замыкание и ограничение выходного тока.
Интегрированный конденсатор на 30 пФ дает частотно-зависимую отрицательную обратную связь, повышающую устойчивость операционного усилителя при работе с внешней обратной связью. Это так называемая компенсация Миллера, функционирующая практически как интегратор, построенный на операционном усилителе. Частотная компенсация дает операционному усилителю безусловную стабильность в широком диапазоне условий и тем самым упрощает его применение в широком спектре электронных устройств.
В выходном каскаде uA741 присутствует резистор сопротивлением 25 Ом, служащий датчиком тока. Совместно с транзистором Q17, этот резистор ограничивает ток эмиттерного повторителя Q14 на уровне около 25 мА. В нижнем плече двухтактного выходного каскада ограничение тока через транзистор Q20 осуществляется посредством измерения тока через эмиттер транзистора Q19 и последующего ограничения тока, текущего в базу Q15. В более современных модификациях схемотехники uA741 могут использоваться несколько отличающиеся от описанной здесь методы ограничения выходного тока.
Микросхема имеет два вывода Offset для балансировки, позволяющие подстраивать смещение входа операционного усилителя точно до нуля. Для этой цели можно использовать внешний потенциометр. Напряжение питания микросхемы может достигать от +-18 до +-22 вольт, в зависимости от модификации, однако рекомендуемый диапазон — от +-5 до +-15 вольт.
Что такое операционные усилители
Схемы включения операционных усилителей без обратной связи
Схемы на операционных усилителях с обратной связью
Регулируемый стабилизатор напряжения TL431
Микросхема TL431 была выпущена в продажу компанией Texas Instruments в 1978 году, и позиционировалась как прецизионный регулируемый стабилизатор напряжения. Предшествующей версией была менее точная микросхема TL430. Сегодня TL431 выпускают многие производители под маркировками: LM431, KA431, а ее отечественный аналог – КР142ЕН19А.
TL431 по сути — управляемый стабилитрон, часто встречающийся в трехвыводном корпусе TO-92. Данную микросхему можно, пожалуй, увидеть на плате любого из современных импульсных блоков питания, как минимум – в схеме гальванической развязки вторичных цепей.
Микросхема достаточно просто регулируется: при подаче на управляющий электрод напряжения выше порогового 2,5 вольт, внутренний транзистор, выполняющий функцию стабилитрона, переходит в проводящее состояние.
Значения выводов очевидны из блок-схемы:
Первый вывод – электрод управления.
Второй вывод — несет функцию анода стабилитрона.
Третий вывод – играет роль катода стабилитрона.
Рабочее напряжение на катоде может быть из диапазона от 2,5 до 36 вольт, а ток в проводящем состоянии не должен превышать 100 мА, при этом ток управления не превышает 4 мкА. Внутренний источник опорного напряжения имеет номинал 2,5 вольта.
Микросхема настолько проста в настройке и в использовании, что уже нашла самое широкое применение в различных электронных устройствах, начиная с импульсных блоков питания, где она традиционно работает совместно с оптроном, заканчивая датчиками освещенности и температуры.
Сегодня трудно найти бытовой прибор, где бы не было TL431, именно по этой причине данная микросхема выпускается во множестве различных корпусов. Таким образом, TL431 отлично подходит для построения цепей обратной связи в совершенно различных аспектах этого понятия.
Примеры использования микросхемы TL431:
Простой терморегулятор
Индикаторы и сигнализаторы на регулируемом стабилитроне TL431
Аналоговый компаратор LM311
Аналоговый компаратор LM311 выпускается с 1973 года компанией National Semiconductor (с 23 сентября 2011 года компания официально является частью Texas Instruments). Отечественный аналог данного компаратора — КР554СА3.
Для данного интегрального компаратора напряжения характерен очень малый входной ток (150 нА). Он разработан специально для применения в широком диапазоне питающих напряжений: от стандартного +- 15В до однополярного + 5В, традиционного для цифровой логики. Выход компаратора совместим с TTL, RTL, DTL и MOS – уровнями.
Его выходной каскад с открытым коллектором позволяет непосредственно нагрузить выход на реле или на лампу накаливания, и коммутировать ток до 50 мА при напряжении до 50 В. Потребляемая микросхемой мощность составляет всего 135 мВт при питании напряжением +-15 В. В даташите на компаратор LM311 приведено множество типовых схем его применений.
Микросхема содержит 20 резисторов, 22 биполярных транзистора, 1 полевой транзистор и 2 диода. Вход и выход LM311 можно изолировать от земли схемы так, чтобы выходная цепь микросхемы работала на заземленную нагрузку или на нагрузку, подключенную к отрицательному или положительному полюсу источника питания.
В схеме компаратора есть возможности балансировки сдвига и стробирования, а выходы нескольких LM311 можно соединять по схеме проводное ИЛИ. Вероятность возникновения ложных срабатываний у данной микросхемы очень низка.
Дополнительные материалы по этой теме:
Как устроен и работает аналоговый компаратор
Схемы на компараторах
Терморегулятор для погреба на компараторе LM311
Андрей Повный
