В предыдущих двух частях цикла мы использовали микросхему К155ЛА3 в привычном всем цифровом режиме работы. В этой части публикации мы рассмотрим схемотехнические решения на элементах ТТЛ в аналоговом режиме.
Любопытно, что в аналоговом режиме можно включить практически любой из инвертирующих элементов ТТЛ. Примеры подобного использования микросхемы К155ЛА3 есть даже в пособиях для начинающих, правда, мало кто из начинающих догадывается, что режим работы элементов 2И-НЕ в этих схемах аналоговый.
Предыдущие части публикации:
▍ Читаем старые журналы
Очень многие помнят публикацию в журнале «Радио» №6 за 1982 год в разделе «Радио — начинающим» конструкции приёмника прямого усиления на микросхеме К176ЛЕ5, где четыре элемента 2ИЛИ-НЕ КМОП использовались в качестве усилителей сигналов ВЧ и НЧ. Публикация же в журнале «Радио» №6 за 1978 год заметки Ю. Куликова «Широкополосный усилитель на К1ЛБ553» такого резонанса не вызвала. Однако схемное решение из этой публикации заслуживает детального рассмотрения.
Схема усилителя приведена на рисунке выше. Особенностью первого каскада является наличие в схеме эмиттерного повторителя на транзисторе МП38 (V1) сразу двух подстроечных резисторов: одним из них (R1) задаётся смещение на базе транзистора, другим (R3) регулируется величина выходного сопротивления каскада.
Второй каскад усилителя собран на одном элементе 2И-НЕ (D1) из состава К155ЛА3 (К1ЛБ553 – это её старая маркировка). Входы элемента 2И-НЕ подключены по постоянному току к выходу эмиттерного повторителя. Конденсатор С1 в цепи отрицательной обратной связи сужает полосу пропускания усилителя и предотвращает самовозбуждение по ВЧ.
Диапазон амплитудных значений входных сигналов от 100 мкВ до 25 мВ. Полоса частот усиливаемых сигналов до 1 МГц. Коэффициент передачи KU – до 40. Сопротивление нагрузки должно быть не менее 1 кОм.
▍ Открываем справочник
Теперь, чтобы попытаться понять, каким образом элемент 2И-НЕ стал усиливать аналоговые сигналы, откроем его схемное решение в справочнике под редакцией Шило. Элемент состоит из трёх каскадов:
- На входе элемента находится многоэмиттерный транзистор VT1.
- Вторым каскадом является схема фазоинвертора на транзисторе VT2.
- На выходе элемента находится «квазикомплементарный» двухтактный каскад на транзисторах VT3...VT5, подключенных к выходам фазоинвертора.
На рисунке слева изображена схема элемента 3И-НЕ быстродействующей серии К131 (74H). На рисунке справа – схема элемента 3И-НЕ «стандартной» серии К155 (74). У элементов 2И-НЕ количество эмиттеров у транзистора VT1 было бы два.
Рисунки ниже поясняют режимы работы схемы этих элементов на примере инвертора серии К131. Эмиттер у транзистора VT1 здесь, естественно, один.
В цифровом (ключевом) режиме на участке «база-коллектор» входного транзистора VT1 ток будет протекать только при подаче на все его эмиттеры напряжения высокого логического уровня. Этим током, в свою очередь, будет открыт транзистор фазоинвертора, что приведёт к открыванию нижнего по схеме выходного транзистора и появлению сигнала низкого логического уровня на выходе элемента. Верхний по схеме выходной транзистор при этом будет заперт.
При подаче на любой из входов элемента сигнала низкого логического уровня ток по участку «база-коллектор» входного транзистора течь перестаёт, и транзистор фазоинвертора запирается. Это приводит к появлению на выходе элемента сигнала высокого логического уровня, т. к. в этом случае нижний по схеме выходной транзистор закроется, а открыт будет верхний по схеме выходной транзистор.
▍ Выводим элемент 2И-НЕ из «зоны комфорта»
Как мы помним из первой части публикации, низкому логическому уровню на входе элемента «стандартной» серии ТТЛ соответствует напряжение, не превышающее 0,8 В, а высокому логическому уровню – напряжение не ниже 2,0 В.При подаче на входы элементов ТТЛ напряжений таких уровней схемы этих элементов гарантированно работают в ключевом режиме.
Чтобы заставить схему элемента ТТЛ работать в аналоговом режиме, нужно добиться, чтобы транзистор VT2 был открыт, но не входил в режим насыщения, как при подаче на вход элемента логической «единицы». При этом уровень сигнала на входе должен ещё быть и таким, чтобы VT2 никогда не запирался.
В вышеприведённой схеме из журнала «Радио» подобный режим работы обеспечивается подачей на входы элемента ТТЛ фиксированного напряжения смещения Uсм в диапазоне между 0,8 и 2,0 В. Помимо этого, эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 с высоким входным сопротивлением играет роль «развязки» между источником сигнала и низкоомным входом элемента ТТЛ.
Нужно сразу принять как должное, что напряжение смещения в подобных схемах приходится подбирать индивидуально для каждой пары «транзистор – логический элемент», а также склонность этой схемы к самовозбуждению по ВЧ и переключению в цифровой режим (возврат в «зону комфорта») при скачках уровня входного сигнала.
Схема эта, тем не менее, вполне работоспособна, хотя для применения в серийных изделиях и не годится.
▍ Вводим отрицательную обратную связь
Из вышесказанного можно сделать вывод, что существенным недостатком схемы из журнала «Радио» является неустойчивость. Но устойчивость работы схем усилителей можно повысить введением в схему усилителя цепи отрицательной обратной связи (ООС). Вот что об этом написано у Хоровица и Хилла:
… изобретатель Гарольд Блэк писал (журнал Electrical Engineering, 53, 114 (1934)):
«Установлено, что если взять усилитель, коэффициент усиления которого больше, чем нужно, скажем на 40 дБ (10 000 — кратный запас по мощности), а затем подключить к нему цепь обратной связи таким образом, чтобы погасить избыточное усиление, то оказывается, что постоянство усиления заметно улучшается, а линейность увеличивается». (Глава 4, стих 26)
Таким образом, введением ООС по постоянному току элемент ТТЛ и превращается в устойчиво работающий линейный усилитель. Только коэффициент передачи такого усилителя уже будет значительно меньше 40. Для усилителей на элементах ТТЛ KU обычно выбирают в пределах 2…3.
Схемы подобных инвертирующих усилителей на элементах ТТЛ есть в справочниках. Например, подобные схемы можно найти в разделе «Автогенераторы на элементах ТТЛ» справочника Шило.
На рисунке выше схема инвертирующего усилителя на логическом элементе ТТЛ выделена красным.
Кстати, в учебнике Гутникова описание аналогового режима работы элементов ТТЛ тоже находится в разделе про генераторы. Логика размещения схемы усилителя на элементе ТТЛ именно в этом разделе проста: автогенератор легко получается из неинвертирующего усилителя введением положительной обратной связи (ПОС).
Мы же пойдём от обратного и получим двухкаскадный неинвертирующий усилитель из схемы генератора с рисунка выше, исключив оттуда элемент C1 и выведя таким образом схему из режима автогенерации.
▍ Подтверждаем результат измерениями
Внимательный читатель, скорее всего, уже обратил внимание на то, что схема инвертирующего усилителя на элементе ТТЛ очень похожа на схему инвертирующего усилителя на операционном усилителе (ОУ). Сходство есть, но есть и принципиальное различие.
Различие заключается в том, что по сравнению с элементом ТТЛ любой ОУ имеет на порядки большее входное сопротивление и значительно меньшее выходное. Входы ОУ ток не потребляют, что нельзя сказать про входы элементов ТТЛ.
Тем не менее, есть и сходство: схемы инвертирующих усилителей и на ОУ, и на элементе ТТЛ имеют низкое входное сопротивление, величина которого во многом определяется сопротивлением резистора R1.
Коэффициент передачи KU в обеих схемах будет приблизительно равен соотношению сопротивлений резисторов R2 и R1. В этом мы сейчас убедимся, подав на вход схемы синусоидальный сигнал с генератора, и посмотрев усиленный сигнал на выходе схемы с помощью осциллографа.
Смотрим на осциллограммы на рисунке выше и убеждаемся, что собрали на половине микросхемы К155ЛА3 неинвертирующий усилитель с коэффициентом передачи 
. Если посмотреть на точки пересечения осциллограммами сигналов оси X, хорошо видно задержку распространения сигнала 
.
Схема неинвертирующего усилителя на двух элементах 2И-НЕ работает без подбора элементов и подстройки режима на частотах до 30 МГц. Тестовая частота 15 МГц была выбрана из возможностей качественного отображения сигналов оборудованием из домашней лаборатории автора.
▍ От автора
Надеюсь, что эта заключительная часть публикации про легендарную микросхему К155ЛА3 (7400) дала новый взгляд на привычное всем устройство.
Данный цикл публикаций состоит из трёх частей:
Этот цикл может кому-то даже показаться бесполезным: мало какие из описанных в нём схемотехнических решений актуальны в современной разработке. Однако целью цикла было, с одной стороны, дать историческую справку о «родоначальниках» современной цифровой электроники, а с другой стороны, показать, что с цифровой электроникой «в железе» может быть всё не так просто, как даётся на обзорных курсах студентам непрофильных специальностей.
Хотелось бы дополнить, что совместимые с серией 74 микросхемы производятся уже более чем 55 лет, и всё это время, чтобы не создавать трудноразрешимых проблем при разработке дискретных устройств, опытные разработчики придерживаются несложных правил:
- Выделять для цепей питания цифровых микросхем отдельные полигоны или шины.
- Не экономить на блокировочных конденсаторах.
- Не увлекаться асинхронными схемами.
И ещё: даже если всё кажется простым и понятным, никогда не бывает лишним заглянуть в datasheets или справочники. Принцип RTFM пока ещё никто не отменял.
Буду очень рад, если публикация кому-то оказалась полезной, а обозначенные выше правила кому-либо облегчат «муки творчества». Мне в этом в своё время очень помогла информация из источников, приведённых ниже.
▍ Использованные источники
- Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988.
- Шило. Популярные цифровые микросхемы. 2-изд. Радио и связь, 1989.
- Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993.
- Куликов. Широкополосный усилитель на К1ЛБ553. Радио, 1978, №6, с.31.
Автор: Дмитрий Руднев
