Применение цифровых микросхем для линейного усиления сигналов

Уголок радиоконструктора

Владимир Поляков   RA3AAE
Цифровые  микросхемы  (МС)  малой  степени  интеграции  уходят  в  прошлое,  но
выпущено их огромное количество, они весьма дешевы и доступны. Когда-то была
знаменита 155-я серия логических МС, выполненная на биполярных транзисторах,
ей  на  смену  пришла  КМОП  логика  на  полевых  транзисторах  с  изолированным
затвором.  КМОП  означает:  Комплементарная,  Металл-Окисел-Полупроводник,
аналогичное  английское  название  CMOS.  Она  отличается  особо  малым
потреблением  тока  от  источника  питания  и  высоким  входным  сопротивлением,
поскольку затворы транзисторов изолированы слоем окисла. У нас выпускались (а
возможно и сейчас выпускаются) КМОП МС серий К176, позднее К561, последняя
имеет  расширенный диапазон  питающих  напряжений, от  3  до  16  В.  Импортные
МС носят, чаще всего, цифровые обозначения.

Радиолюбители  немедленно  нашли  им  и  другое  применение  –  в  качестве
линейных усилителей сигнала, например, звукового. Линейность означает прямо
пропорциональную  зависимость  выходного  напряжения  от  входного,
коэффициент пропорциональности называют коэффициентом усиления. Автор в
свое  время  тоже  попробовал  собирать  подобные  усилители  и  убедился  в  их
работоспособности. Но как же цифровая МС,
предназначенная для работы с дискретными
сигналами  (нулями  и  единицами)  может
усиливать  аналоговые,  плавно
изменяющиеся  сигналы?  Рассмотрим
упрощенную  схему  простейшего  логического
элемента – КМОП инвертора (рис. 1).


Рис. 1. Схема КМОП инвертора.
В  этом  логическом  элементе  всего  два
транзистора  разного  типа  проводимости
(комплементарных),  включенных  по  последовательно-двухтактной    схеме.  Когда
на  вход  элемента  подано  напряжение  логической  единицы  (1),  близкое  к
напряжению  питания  Ucc,  верхний  транзистор  закрыт,  а  нижний  открыт,  и  на
выходе  устанавливается  напряжение  логического  нуля  (0),  близкое  к  нулевому,
При  подаче  же  на  вход  логического  нуля  (0),  фактически,  замыкания  входа  на
общий  провод,  открывается  верхний  транзистор,  и  на  выходе  появляется
напряжение логической единицы (1). Если инвертер нагружен высоким входным
сопротивлением  следующего  логического  элемента,  то  потребление  тока  от
источника  питания  пренебрежимо  мало,  поскольку  один  из  последовательно
включенных  транзисторов  закрыт.  Ток  потребляется  лишь  в  короткие  моменты
переключения  транзисторов.  В  схемах  реальных  логических  элементов    можно
увидеть еще и защитные диоды, предохраняющие «нежные» МОП транзисторы от
случайных  выбросов  напряжения,  превышающих  напряжение  питания,  поэтому
особых мер безопасности при монтаже КМОП логика не требует.
Для  вывода  элемента  в  линейный  режим  достаточно  соединить  вход  и  выход
высокоомным  сопротивлением  (R2  на  рис.  2).  При  этом  возникает  глубокая
отрицательная  обратная  связь  (ООС)  по  постоянному  току,  и  на  выходе
устанавливается  напряжение,
примерно  равное  половине
напряжения  питания,  оба
транзистора  находятся  в
приоткрытом  состоянии,  и  через
них течет сквозной ток от источника
питания, не более 1…3 мА.


Рис. 2. Усилитель на КМОП инверторе.
ООС через резистор  R2 приводит к двум,  обычно  нежелательным  результатам:
уменьшается  усиление  и  входное  сопротивление  каскада.  Они  устранимы  (см.
ниже),  а  усиление  каскада  определяется  отношением  сопротивлений  двух
резисторов: Кус = R2/ R1. На практике R1 обычно не устанавливают – им служит
внутреннее сопротивление источника сигнала.  
В  одном  корпусе  МС  размещены  обычно
несколько  логических  элементов,  например
шесть  одновходовых  инверторов  или  четыре  
двухвходовых  (два  их  входа  для  нашей  цели
соединяют  вместе).  На  рис.  3  дана  нумерация
выводов  (при  взгляде  сверху,  на  название)
одной из самых распространенных МС.


Рис. 3. Цоколевка К561ЛА7, К561ЛЕ5.
Переходя  к  практическим  конструкциям,  приведем  несколько  схем,  описанных
Ю.М. Тульгиным в радиолюбительской литературе и выложенных на сайтах сети
Интернет. Схема маломощного УМЗЧ (до 100 мВт) для радиоприемников, плееров
и тому подобных устройств дана на рис. 4. Кроме импортной МС CD4011 в УЗЧ
можно применить отечественные аналогичные МС К561ЛЕ5, К561ЛА7, К176ЛЕ5,
К176ЛА7. Нумерация выводов (цоколевка) у них у всех одинакова.
Первый  элемент  МС  (D1.1)  работает  в  качестве  предварительного  усилителя
напряжения  звукового  сигнала,  поступающего  от  регулятора  громкости  R1.
Глубокую    ООС  по  постоянному  току  обеспечивают  резисторы  R2  и  R3.  На
звуковых  частотах  ООС  практически  отсутствует,  поскольку  конденсатор  С4
замыкает сигнал на общий провод (землю), поэтому усиление на ЗЧ не снижается,
а входное сопротивление остается высоким. Сопротивление регулятора R1 можно
значительно увеличить до 47…100 кОм, а емкость разделительного конденсатора
С1 уменьшить до 0,05…0,1 мкФ.


 
Рис. 4. УМЗЧ на логической МС.
Выведенный  в  линейный  режим  предварительный  усилитель  обеспечивает  и
линейность  выходного  каскада,  ведь  все  элементы  одной  МС  практически
идентичны.  В  выходном  каскаде  три  остальных  элемента  МС  включены
параллельно для увеличения отдаваемого тока в нагрузку – головные телефоны
или динамик с сопротивлением 8…160 Ом.  
Должен  заметить,  что  ток  в  столь  низкоомной  нагрузке  определяется
исключительно  сопротивлением  каналов  КМОП  транзисторов  и  числом
включенных параллельно элементов, поэтому для увеличения отдачи (громкости
звучания)  желательно  использовать  высокоомные  динамики.  А  для  низкоомных
можно  использовать  понижающий  трансформатор.  Отличный  результат  дают
акустические  системы  в  большом  корпусе,  где  несколько  мощных  динамиков
включены  последовательно.  Они  звучат  гораздо  громче,  чем  маленький
маломощный  динамик
при  равной  подводимой
мощности.
Для  любителей  музыки
может  представить
интерес  и  схема
усилителя для наушников
(рис.  5),  где  оба  канала
выполнены  точно  также,
но  на  МС  4069,
содержащей  шесть
одновходовых инверторов
(аналог К561ЛН2).


Рис.  5.  УМЗЧ  для
стереотелефонов
Частотные  свойства  КМОП  МС  не  слишком  хороши,  особенно  у  старых
отечественных МС, тем не менее, они уверенно работают до частот в несколько
мегагерц,  и  это  позволяет  строить  на  них  радиоприемники  длинных  и  средних
волн.  Простейший  одноконтурный  приемник  прямого  усиления  содержит
усилитель  радиочастоты  (УРЧ),  амплитудный  детектор  и  усилитель  звуковой
частоты (УЗЧ). Его можно собрать всего на одной МС типа CD4011 или К561ЛЕ5,
К561ЛА7, К176ЛЕ5, К176ЛА7.  Схема приемника дана на рис. 6.
Магнитную  антенну  можно  использовать  готовую  от  устаревших  карманных  и
портативных транзисторных приемников на диапазоны ДВ и СВ. Катушки связи на
ней  не  нужны  и  их  можно  удалить.  Оттуда  же  добывается  и  конденсатор
переменной  емкости  (КПЕ),  от  котого  используют  лишь  одну  секцию.  Лучше  же
использовать стержень диаметром 10 и длиной 200 мм из феррита марки 400НН и
намотать  катушку  самостоятельно.  Для  диапазона  СВ  нужно  60…80  витков
любого  литцендрата, а для ДВ – 150…200 витков любого провода (ПЭЛШО, ПЭЛ)
диаметром 0,1…0,2 мм. Витки укладываются в один слой на бумажной гильзе или
подходящей  по  диаметру  пластиковой  трубочке  и  закрепляются  клеем  или
(лучше) парафином.  


 
Рис. 6. Приемник прямого усиления на одной МС.
УРЧ  приемника  выполнен  на  одном  элементе  МС  DD1.4.  Он  исключен  из
выходного  каскада  УЗЧ,  собранного  по  схеме  рис.  4  и  уже  описанного  выше,
поэтому нумерация элементов УРЧ (рис. 6) продолжает приведенную на рис. 4.
ООС  по  постоянному  току,  устанавливающая  режим  УРЧ,  подается  через
резистор R4, но не сразу на вход элемента, а через катушку магнитной антенны
L1. Нижний же вывод этой катушки замкнут на общий провод по высокой частоте
конденсатором С7. Это полностью устраняет ООС на ВЧ и позволяет реализовать
как большое усиление, так и высокое входное сопротивление УРЧ. Это позволяет
включить контур L1C6 полностью и тем повысить уровень снимаемого с магнитной
антенны сигнала.
Детектор приемника собран на двух германиевых диодах по схеме с удвоением
напряжения.  Вместо  указанных  на  схеме  лучше  использовать  Д18  или  ГД507.
Остается  справедливой  и  рекомендация  увеличить  нагрузку  детектора  R1  до
47…100  кОм,  а  емкость  блокировочного  конденсатора  С9  уменьшить  до
3300…4700  пФ,  чтобы  не  «заваливать»  верхние  частоты  звукового  спектра.
Детектор при этом должен работать лучше.  
Удачных вам экспериментов! 

http://qrp.ru/cqqrp-magazine/1521-cq-qrp-69

 


 Информационный партнер:  Мариупольский радиоклуб Маррад