Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств

Москва, 2018

Волович Г. И.

Схемотехника аналоговых и

аналогово-цифровых

электронных устройств

4-е издание, переработанное и дополненное

УДК 621.3.049.774.3
ББК 32.844.1

 
В68

 
 
Волович Г. И.

В68 
Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. 4-ое 
изд., перераб. и доп. – М.: ДМК Пресс, 2018. –636 с.: ил. 

 

ISBN 978-5-97060-623-0

В книге освещены свойства и особенности применения аналоговых и аналого-цифровых 

интегральных микросхем: операционных усилителей, компараторов, таймеров, фильтров, 
линейных и импульсных стабилизаторов напряжения, коммутаторов, микросхем АЦП 
и ЦАП различных датчиков. Основное внимание уделено схемотехнической реализации 
различных функций электронных устройств. Рассмотрены схемы линейного и нелинейного 
преобразования сигналов, измерительные и вычислительные схемы, активные электрические 
фильтры, генераторы и перемножители сигналов, специализированные усилители 
(широкополосные, изолирующие, измерительные и др.), источники опорного напряжения, 
различного типа цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, схемы датчиков 
температуры, ускорения, давления, влажности, магнитного поля.

Издание будет полезно специалистам в области электроники, автоматики, вычислительной 

техники, а также студентам и аспирантам соответствующего профиля.

 
 
                    УДК    621.3.049.774.3

ББК 32.844.1

   

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы 

то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев 
авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность 

технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность 
и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности 
за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

                                                  
 © Волович В. И.

ISBN 978-5-97060-623-0         
 © Оформление, издание, ДМК Пресс, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ..............................................................................................................................................1
Введение .....................................................................................................................................................3
Глава 1. Операционные усилители .....................................................................................................5
1.1. История изобретения и развития операционных усилителей ...............................................5
1.2. Общие сведения об ОУ .....................................................................................................................7
1.3. Идеальный операционный усилитель ..........................................................................................9
1.4. Основные схемы включения операционного усилителя ...................................................... 10
1.4.1. Дифференциальное включение ...................................................................................... 10
1.4.2. Инвертирующее включение ............................................................................................. 11
1.4.3. Неинвертирующее включение ........................................................................................ 12
1.5. Внутренняя схемотехника операционных усилителей ......................................................... 13
1.5.1. Требования к ОУ................................................................................................................. 13
1.5.2. Блок-схема операционного усилителя .......................................................................... 14
1.5.3. Стандартная схема операционного усилителя ............................................................ 17
1.6. Схема замещения операционного усилителя .......................................................................... 18
1.6.1. Входное сопротивление схемы ........................................................................................ 18
1.6.2. Выходное сопротивление схемы ..................................................................................... 19
1.7. Коррекция частотной характеристики ..................................................................................... 20
1.7.1. Частотные характеристики ОУ ....................................................................................... 20
1.7.2. Полная частотная коррекция .......................................................................................... 22
1.7.3. Подстраиваемая частотная коррекция ......................................................................... 24
1.7.4. Скорость нарастания ......................................................................................................... 25
1.7.5. Компенсация ёмкостной нагрузки ................................................................................. 26
1.8. Параметры ОУ ................................................................................................................................. 27
1.8.1. Точностные параметры ..................................................................................................... 27
1.8.2. Динамические параметры ОУ ......................................................................................... 38
1.8.3. Параметры, характеризующие усиление сигналов переменного тока .................. 39
1.8.4. Эксплуатационные параметры ОУ ................................................................................ 40
1.9. Типы операционных усилителей ................................................................................................ 40
1.10. Улучшение параметров операционных усилителей ............................................................. 47
1.10.1. Снижение напряжения смещения нуля ...................................................................... 47
1.10.2. Повышение устойчивости ОУ ....................................................................................... 49
1.10.3. Снижение токов утечки .................................................................................................. 51
1.10.4. Защита ОУ .......................................................................................................................... 52
1.10.5. Повышение выходного тока ОУ ................................................................................... 55
1.10.6. Повышение выходного напряжения ОУ .................................................................... 56
1.10.7. Повышение быстродействия ОУ .................................................................................. 58
1.10.8. Снижение шума ОУ ......................................................................................................... 60
1.10.9. Экспериментальное определение параметров ОУ ................................................... 61
1.11. Однополярное питание операционных усилителей ............................................................ 63
1.11.1. Общие сведения ................................................................................................................ 63
1.11.2. Смещение ОУ с однополярным питанием ................................................................. 64
1.11.3. Введение скусственной нудевой точки ....................................................................... 66
1.11.4. Расширение динамического диапазона ...................................................................... 68
Выводы ..................................................................................................................................................... 70
Вопросы и задачи ................................................................................................................................... 71
Литература к гл. 1 ................................................................................................................................... 73

iv  Содержание

Глава 2. Функциональные устройства на ОУ ............................................................................... 74
2.1. Линейные аналоговые вычислительные схемы на ОУ .......................................................... 74
2.1.1. Схема масштабирования .................................................................................................. 74
2.1.2. Схемы суммирования ........................................................................................................ 75
2.1.3. Схема интегрирования ...................................................................................................... 77
2.1.4. Схема дифференцирования ............................................................................................. 79
2.2. Схемы линейного преобразования сигналов .......................................................................... 81
2.2.1.Источники напряжения, управляемые током .............................................................. 81
2.2.2. Источники тока, управляемые напряжением.............................................................. 81
2.2.3. Преобразователь отрицательного сопротивления .................................................... 93
2.2.4. Гираторы ............................................................................................................................... 94
2.3. Активные электрические фильтры на ОУ ................................................................................ 97
2.3.1. Основные понятия ............................................................................................................. 97
2.3.2. Фильтры нижних частот ................................................................................................... 98
2.3.3. Фильтры верхних частот ................................................................................................ 101
2.3.4. Полосовые фильтры ......................................................................................................... 101
2.3.5. Полосно-подавляющие фильтры .................................................................................. 102
2.3.6. Реализация фильтров на ОУ .......................................................................................... 103
2.3.7. Реализация активных фильтров на основе метода переменных состояния ...... 110
2.3.8. Фазовые фильтры ............................................................................................................. 114
2.4. Измерительные усилители ......................................................................................................... 117
2.4.1. Измерительный усилитель на одном ОУ .................................................................... 117
2.4.2. Измерительный усилитель на двух ОУ ....................................................................... 120
2.4.3. Измерительный усилитель на трёх ОУ ....................................................................... 121
2.4.4. Другие измерительные усилители ................................................................................ 122
2.4.5. Применение измерительных усилителей.................................................................... 126
2.5. Схемы нелинейного преобразования сигналов на ОУ ........................................................ 128
2.5.1. Логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи .................................. 128
2.5.2. Прецизионные выпрямители на ОУ ............................................................................ 134
2.5.3. Прецизионные ограничители на ОУ ........................................................................... 139
2.6. Генераторы сигналов на ОУ ........................................................................................................ 144
2.6.1. Релаксационные генераторы .......................................................................................... 145
2.6.2. Генераторы синусоидальных колебаний ..................................................................... 148
2.7. Аналоговые перемножители ...................................................................................................... 150
2.7.1. Перемножитель с управляемым сопротивлением канала полевого  
транзистора .................................................................................................................................. 150
2.7.2. Перемножители на основе управляемых источников тока ................................... 150
2.8. Измерительные схемы на ОУ ..................................................................................................... 153
2.8.1. Измерение заряда ............................................................................................................. 153
2.8.2. Измерители амплитуды (пиковые детекторы) .......................................................... 154
2.8.3. Фотоэлектрические измерения ..................................................................................... 156
2.8.4. Мостовые измерительные схемы .................................................................................. 157
2.8.5. Измерение температуры ................................................................................................. 163
2.8.6. Измерение среднеквадратичного значения ............................................................... 165
2.8.7. Измерение тока ................................................................................................................. 168
2.8.8. Измерение переменного тока ........................................................................................ 170
2.8.9. Измерение сопротивления изоляции .......................................................................... 173
Вопросы и задачи ................................................................................................................................. 174
Литература к главе 2 ............................................................................................................................ 178

Содержание  v

Глава 3. Специализированные усилители ................................................................................... 179
3.1. Широкополосные усилители...................................................................................................... 179
3.1.1. Работа транзисторного усилительного каскада на высоких частотах ................ 179
3.1.2. Применение ОУ для усиления радиочастотных сигналов ..................................... 181
3.1.3. Широкополосные ОУ с обратной связью по току .................................................... 183
3.1.4. Особенности применения ОУ с ОСТ .......................................................................... 188
3.1.5. Усилители дифференциальных линий ........................................................................ 188
3.1.6. Особенности проектирования печатных плат для схем  
с широкополосными усилителями ......................................................................................... 191
3.2. Полностью дифференциальные ОУ ......................................................................................... 200
3.2.1. Общие сведения ................................................................................................................ 200
3.2.2. Схемотехника ПД ОУ ...................................................................................................... 200
3.2.3. Применение ПД ОУ R2 .................................................................................................... 202
3.2.4. Несимметричные режимы ПД ОУ ............................................................................... 205
3.3. Усилители с регулируемым усилением .................................................................................... 207
3.3.1. Общие сведения ................................................................................................................ 207
3.3.2. Схемотехническая реализация УРУ ............................................................................ 207
3.4. Изолирующие усилители ............................................................................................................ 211
3.5. Усилители класса D ...................................................................................................................... 215
3.5.1. Общие сведения ................................................................................................................ 215
3.5.2. Виды импульсной модуляции выходного сигнала ................................................... 216
3.5.3. Схемотехника выходных каскадов усилителей класса D ....................................... 219
3.5.4. Промышленные типы усилителей класса D .............................................................. 220
3.3.5. Помехи, порождаемые усилителями класса D, и борьба с ними .......................... 222
Вопросы и задачи ................................................................................................................................. 224
Литература к гл. 3 ................................................................................................................................. 225
Глава 4. Аналоговые компараторы и таймеры .......................................................................... 226
4.1. Общие сведения о компараторах .............................................................................................. 226
4.2. Аналоговый интегральный компаратор ................................................................................. 227
4.2.1. Принципы построения интегральных компараторов ............................................ 227
4.2.2. Компараторы с однополярным питанием .................................................................. 229
4.2.3. Скоростные компараторы .............................................................................................. 231
4.3. Применение компараторов ........................................................................................................ 232
4.3.1. Двухпороговый компаратор .......................................................................................... 232
4.3.2. Детектор пересечения нуля ............................................................................................ 232
4.3.3. Сравнение напряжений противоположной полярности ....................................... 233
4.3.4. Мультивибраторы ............................................................................................................ 233
4.3.5. Применение компаратора в качестве ОУ ................................................................... 235
4.3.6. Генератор, управляемый напряжением ....................................................................... 236
4.3.7. Логические элементы ....................................................................................................... 238
4.3.8. Одновибраторы ................................................................................................................. 240
4.3.9. Генератор временных задержек .................................................................................... 242
4.3.10. Широтно-импульсный модулятор ............................................................................. 243
4.3.11. Двухполупериодный выпрямитель ............................................................................ 244
4.3.12. Устройства на аналоговых компараторах для микропроцессорных систем ... 245
4.4. Параметры компараторов........................................................................................................... 247
4.5. Современные ИМС компараторов ........................................................................................... 248
4.6. Аналоговые таймеры ................................................................................................................... 255

vi  Содержание

4.6.1. Таймер NE555 .................................................................................................................... 255
4.6.2. Основные схемы включения таймера ......................................................................... 256
4.6.3. Типы интегральных таймеров ....................................................................................... 258
Вопросы и задачи ................................................................................................................................. 260
Литература к гл. 4 ................................................................................................................................. 260
Глава 5. Линейные стабилизаторы напряжения ...................................................................... 261
5.1. Общие сведения ............................................................................................................................ 261
5.2. Схемотехника линейных стабилизаторов напряжения ...................................................... 261
5.2.1. Упрощённая схема стабилизатора  ............................................................................... 262
5.2.2. Интегральный линейный стабилизатор напряжения ............................................. 262
5.2.3. Стабилизация отрицательных напряжений .............................................................. 264
5.2.4. Уменьшение потерь в стабилизаторах......................................................................... 265
5.3. Устойчивость линейных стабилизаторов напряжения ....................................................... 267
5.3.1. Устойчивость n-p-n-стабилизаторов ........................................................................... 267
5.3.2. Устойчивость LDO-стабилизаторов ............................................................................ 268
5.4. Основные параметры линейных стабилизаторов напряжения ........................................ 270
5.4.1. Точностные параметры ................................................................................................... 270
5.4.2. Динамические параметры .............................................................................................. 271
5.4.3. Эксплуатационные параметры...................................................................................... 273
5.5. Схемы включения линейных стабилизаторов напряжения .............................................. 274
5.5.1. Типовое включение .......................................................................................................... 274
5.5.2. Увеличение выходного напряжения ............................................................................ 275
5.5.3. Повышение максимального выходного тока ............................................................. 275
5.5.4. Стабилизация тока ........................................................................................................... 276
5.5.5. Источник двухполярного напряжения ....................................................................... 276
5.5.6. Стабилизатор переменного напряжения .................................................................... 277
5.5.7. Мощный эмиттерный повторитель ............................................................................. 277
5.5.8. Программное управление включением источников питания ............................... 278
5.6. Источники опорного напряжения............................................................................................ 279
5.6.1. ИОН на стабилитронах ................................................................................................... 279
5.6.2. ИОН с напряжением запрещённой зоны ................................................................... 281
5.6.3. ИОН на полевых транзисторах ..................................................................................... 285
5.6.4. Устойчивость ИОН .......................................................................................................... 286
5.6.5. Параметры источников опорного напряжения ........................................................ 288
5.6.6. Применение ИОН ............................................................................................................. 295
Вопросы и задачи ................................................................................................................................. 299
Литература к гл. 5 ................................................................................................................................. 300
Глава 6. Импульсные стабилизаторы напряжения .................................................................. 301
6.1. Общие сведения ............................................................................................................................ 301
6.2. Понижающий импульсный стабилизатор .............................................................................. 302
6.2.1. Схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения .......................... 302
6.2.2. Электромагнитные процессы в понижающем ИСН ................................................ 304
6.2.3. Понижающие ИСН с синхронными выпрямителями ............................................. 307
6.2.4. Многофазные ИСН .......................................................................................................... 308
6.3. Повышающий импульсный стабилизатор ............................................................................. 310
6.4. Инвертирующий импульсный стабилизатор  ....................................................................... 312
6.5. Другие составные схемы ИСН................................................................................................... 313
6.5.1. Схема Кука .......................................................................................................................... 313

Содержание  vii

6.5.2. Несимметричный преобразователь первичной индуктивности.......................... 315
6.6. Инверторные схемы ..................................................................................................................... 317
6.6.1. Общие сведения ................................................................................................................ 317
6.6.2. Нерегулируемые инверторы .......................................................................................... 317
6.6.3. Регулируемые инверторы ............................................................................................... 321
6.6.4. Однотактные инверторы ................................................................................................ 324
6.6.5. Резонансные инверторы ................................................................................................. 329
6.7. Сетевые источники питания ...................................................................................................... 336
6.7.1. Общие сведения ................................................................................................................ 336
6.7.2. Импульсные сетевые источники на базе обратноходового  
преобразователя .......................................................................................................................... 337
6.7.3. Организация обратной связи по выходному напряжению в сетевых  
источниках .................................................................................................................................... 340
6.7.4. Микромощные бестрансформаторные сетевые источники .................................. 343
6.8. Импульсные источники на коммутируемых конденсаторах ............................................. 345
6.9. Корректоры коэффициента мощности ................................................................................... 349
6.9.1. Общие положения ............................................................................................................ 349
6.9.2. Алгоритмы формирования кривой входного тока .................................................. 350
6.9.3. Контроллеры ККМ для сетей с широким диапазоном напряжений ................... 354
6.10. Драйверы светодиодов .............................................................................................................. 356
6.10.1. Общие сведения .............................................................................................................. 356
6.10.2. Светодиодные драйверы на повышающих индуктивных  
преобразователях ........................................................................................................................ 357
6.10.3. Светодиодные драйверы на коммутируемых конденсаторах ............................. 358
6.11. Драйверы силовых ключей ....................................................................................................... 359
6.11.1. Общие сведения .............................................................................................................. 359
6.11.2. Схемы драйверов биполярных транзисторов ......................................................... 360
6.11.3. Драйверы МОП-транзисторов и IGBT ..................................................................... 361
6.11.4. Простейшие схемы драйверов .................................................................................... 362
6.11.5. Защита силовых ключей ............................................................................................... 364
6.11.6. Микросхемы драйверов МОП-транзисторов и IGBT ........................................... 366
6.11.7. Драйверы IGBT-модулей .............................................................................................. 373
6.12. Устойчивость импульсных стабилизаторов напряжения ................................................ 375
6.12.1. Общие сведения .............................................................................................................. 375
6.12.2. Устойчивость импульсных стабилизаторов с обратной связью  
по напряжению ............................................................................................................................ 375
6.12.3. Устойчивость импульсных стабилизаторов с дополнительной  
обратной связью по току дросселя ......................................................................................... 378
6.12.4. Особенности анализа устойчивости ИСН с силовыми  
трансформаторами ..................................................................................................................... 384
6.13. Моделирование однотактных импульсных преобразователей  
в пакете VisSim............................................................................................................................. 385
6.13.1. Общие сведения .............................................................................................................. 385
6.13.2. Моделирование в VisSimе электрических цепей .................................................... 386
6.13.3. Модели силовых ключей ............................................................................................... 387
6.13.4. Моделирование в VisSimе понижающих импульсных преобразователей ....... 388
6.13.5. Моделирование системы управления преобразователем .................................... 389
6.13.6. Моделирование повышающего импульсного преобразователя ......................... 392
6.13.7. Моделирование инвертирующего импульсного преобразователя .................... 392

viii  Содержание

6.13.8. Моделирование преобразователя Кука ..................................................................... 393
6.13.9. Моделирование SEPIC-преобразователя.................................................................. 394
Вопросы и задачи ................................................................................................................................. 395
Литература к главе 6 ............................................................................................................................ 397
Глава 7. Аналоговые коммутаторы ............................................................................................... 399
7.1. Общие сведения ............................................................................................................................ 399
7.2. Электронные коммутаторы ........................................................................................................ 400
7.3. Коммутаторы на полевых транзисторах ................................................................................. 400
7.4. Промышленные аналоговые коммутаторы ............................................................................ 402
7.4.1. Простейшие коммутаторы ............................................................................................. 402
7.4.2. Аналоговые мультиплексоры ........................................................................................ 404
7.4.3. Видеокоммутаторы и видеомультиплексоры ............................................................ 406
7.4.4. Матричные коммутаторы ............................................................................................... 407
7.4.5. Оптореле ............................................................................................................................. 410
7.5. Характеристики аналоговых коммутаторов .......................................................................... 411
7.5.1. Статические характеристики ......................................................................................... 411
7.5.2. Динамические характеристики ..................................................................................... 413
7.5.3. Эксплуатационные параметры...................................................................................... 416
7.6. Применение аналоговых коммутаторов ................................................................................. 418
7.6.1. Влияние нелинейности аналоговых коммутаторов на искажения  
передаваемых сигналов ............................................................................................................. 418
7.6.2. Защита коммутаторов от перенапряжений ............................................................... 419
7.7. Устройства выборки-хранения ................................................................................................. 420
7.7.1. Схемы устройств выборки-хранения .......................................................................... 420
7.7.2. Основные характеристики УВХ .................................................................................... 422
7.7.3. Применение УВХ .............................................................................................................. 427
7.8. Устройства на переключаемых конденсаторах ...................................................................... 428
Вопросы и задачи ................................................................................................................................. 431
Литература к главе 7 ............................................................................................................................ 432
Глава 8. Цифро-аналоговые преобразователи .......................................................................... 433
8.1. Общие сведения ............................................................................................................................ 433
8.2. Параллельные ЦАП ...................................................................................................................... 435
8.2.1. ЦАП с суммированием весовых токов ....................................................................... 435
8.2.2. Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах  
(ЦАП с суммированием зарядов) ........................................................................................... 445
8.2.3. ЦАП с суммированием напряжений ........................................................................... 446
8.3. Последовательные ЦАП .............................................................................................................. 449
8.3.1. ЦАП с время-импульсной модуляцией ...................................................................... 449
8.3.2. Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах ................................. 450
8.4. Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей ............................................................ 450
8.4.1. ЦАП с последовательным интерфейсом входных данных .................................... 451
8.4.2. ЦАП с параллельным интерфейсом входных данных ............................................ 452
8.5. Параметры ЦАП ........................................................................................................................... 453
8.5.1. Статические параметры .................................................................................................. 453
8.5.2. Точность воспроизведения сигналов переменного тока ........................................ 455
8.5.3. Динамические параметры .............................................................................................. 455
8.5.4. Шумы ЦАП......................................................................................................................... 456
8.6. Современные модели промышленных ЦАП ......................................................................... 456
8.7. Применение ЦАП ......................................................................................................................... 462

Содержание  ix

8.7.1. Обработка чисел со знаком ............................................................................................ 463
8.7.2. Перемножители и делители функций ......................................................................... 464
8.7.3. Аттенюаторы и интеграторы на ЦАП ......................................................................... 466
8.7.4. Системы прямого цифрового синтеза сигналов ....................................................... 466
Вопросы и задачи ................................................................................................................................. 470
Литература к главе 8 ............................................................................................................................ 471
Глава 9. Аналого-цифровые преобразователи .......................................................................... 472
9.1. Общие сведения ............................................................................................................................ 472
9.1.1. Процедура аналого-цифрового преобразования ..................................................... 472
9.1.2. Апертурная погрешность ............................................................................................... 477
9.1.3. Шум квантования ............................................................................................................. 478
9.1.4. Классификация АЦП ....................................................................................................... 479
9.2. Параллельные АЦП ...................................................................................................................... 480
9.3. Последовательно-параллельные АЦП ..................................................................................... 481
9.3.1. Многоступенчатые АЦП ................................................................................................ 481
9.3.2. Конвейерные АЦП ........................................................................................................... 482
9.3.3. Многотактные последовательно-параллельные АЦП ............................................ 484
9.4. Последовательные АЦП .............................................................................................................. 485
9.4.1. АЦП последовательного счёта ...................................................................................... 485
9.4.2. АЦП последовательного приближения ...................................................................... 486
9.5. Интегрирующие АЦП .................................................................................................................. 488
9.5.1. АЦП многотактного интегрирования ......................................................................... 488
9.5.2. Сигма-дельта-АЦП ........................................................................................................... 491
9.5.3. Преобразователи напряжение—частота .................................................................... 500
9.6. Сигма-дельта-ЦАП ....................................................................................................................... 501
9.7. Интерфейсы АЦП ......................................................................................................................... 505
9.7.1. Сопряжение входов АЦП с источниками аналоговых сигналов .......................... 505
9.7.2. Цифровые интерфейсы АЦП ........................................................................................ 509
9.7.3. АЦП с параллельным интерфейсом выходных данных ......................................... 511
9.7.4. АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных ................................. 511
9.7.5. Последовательный интерфейс сигма-дельта-АЦП с процессорами ................... 512
9.8. Параметры АЦП ........................................................................................................................... 513
9.8.1. Статические параметры .................................................................................................. 513
9.8.2. Динамические параметры .............................................................................................. 515
9.8.3. Шумы АЦП......................................................................................................................... 515
9.8.4. Параметры, характеризующие качество преобразования сигналов  
переменного тока ........................................................................................................................ 516
9.9. Современные тенденции развития АЦП ................................................................................ 517
9.10. Применение АЦП ....................................................................................................................... 525
9.10.1. Системы сбора данных ................................................................................................. 525
9.10.2. Кодеки ............................................................................................................................... 530
9.10.3. Измерение параметров электроэнергии ................................................................... 531
9.10.4. Управление двигателями переменного тока ............................................................ 536
9.10.5. Преобразователи ёмкость—код на основе дельта-сигма модуляторов ............. 539
Вопросы и задачи ................................................................................................................................. 541
Список литературы к гл. 9 ................................................................................................................. 542
Глава 10. Интегральные датчики ................................................................................................... 543
10.1. Датчики температуры ................................................................................................................ 543
10.1.1. Интегральные датчики температуры на биполярных транзисторах ................ 453

x  Содержание

10.1.2. Датчики температуры с цифровым выходом .......................................................... 549
10.1.3. Температурные компараторы ...................................................................................... 551
10.1.4. Точность датчиков температуры ................................................................................ 552
10.2. Датчики ускорения (акселерометры) .................................................................................... 554
10.2.1. Общие сведения .............................................................................................................. 554
10.2.2. Плёночные пьезоэлектрические акселерометры .................................................... 555
10.2.3. Объёмные интегральные акселерометры ................................................................. 556
10.2.4. Поверхностные интегральные акселерометры ....................................................... 557
10.2.5. Тепловые акселерометры .............................................................................................. 565
10.2.6. Точность интегральных акселерометров ................................................................. 568
10.3. Интегральные (микромеханические) гироскопы ............................................................... 572
10.3.1. Общие сведения .............................................................................................................. 572
10.3.2. Микромеханические гироскопы ................................................................................ 573
10.3.3. Параметры интегральных гироскопов ...................................................................... 580
10.3.4. Промышленные модели интегральных гироскопов .............................................. 582
10.4. Датчики давления ....................................................................................................................... 589
10.4.1. Общие сведения .............................................................................................................. 589
10.4.2. Устройство датчиков давления ................................................................................... 590
10.4.3. Точность датчиков давления ....................................................................................... 592
10.5. Датчики влажности (гигрометры).......................................................................................... 594
10.5.1. Общие сведения .............................................................................................................. 594
10.5.2. Основные параметры датчиков влажности ............................................................. 598
10.6. Датчики магнитного поля......................................................................................................... 598
10.6.1. Принцип действия датчика Холла ............................................................................. 598
10.6.2. Интегральные микросхемы с датчиками Холла ..................................................... 601
10.6.3. Применение датчиков Холла ....................................................................................... 604
10.6.4. Основные характеристики и параметры датчиков Холла .................................... 615
Вопросы и задачи ................................................................................................................................. 617
Литература к главе 10 .......................................................................................................................... 618
Предметный указатель ...................................................................................................................... 620

Полупроводниковая электроника представляет собой одну из наиболее динамично развивающихся 
областей техники. Для современной электроники более, чем для чего бы то ни было иного, 
справедливы слова Черной Королевы из «Алисы в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла: «…здесь, знаешь 
ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте. Если же хочешь 
попасть в другое место, тогда нужно бежать по крайней ме ре вдвое быстрее!». В то же время, 
по причине, неизвестной автору, объёмы вузовских курсов для будущих инженеров-элект риков 
по электронике и схемотехнике постоянно сокращаются. Многолетний опыт преподавания автором 
электроники и схемотехники студентам технических специальностей вузов, а также руководство 
дипломным проек тированием и научной работой аспирантов показывает, что при 
неплохом знании основ цифровой электроники большинство выпускников вузов не готово к самостоятельной 
разработке аналоговых устройств. Американские специалисты в области аналоговой 
тех ники считают, что для того, чтобы выпускники вузов, решившие специализироваться 
в области аналоговой техники, «…действительно могли принять на свои плечи настоя щую нагрузку 
требуется от 5 до 10 лет…», в то время как «…этот уровень в области циф ровых схем 
может быть достигнут за год…» (Электроника. 1993. № 11/12. С. 38). Выход один — молодым 
инженерам следует осваивать современную аналоговую схемотехнику самостоятельно, и в этом 
им могут помочь советы опытных специалистов, а также, и пре жде всего, — книги. 
Из книг по схемотехнике, изданных на русском языке, наиболее значительными представляются «
Полупроводниковая схемотехника» У. Титце и К. Шенка, 1982 г. и трёхтом ник «Искусство 
схемотехники» П. Хоровица и У. Хилла, 1993 г. В этих замечательных кни гах сделана попытка 
объять необъятное: изложить всю современную электронику, вклю чая дискретные полупроводниковые 
приборы, цифровые и СВЧ устройства. Как след ствие, некоторые важные вопросы, 
такие, как интерфейсы аналого-цифровых и цифро аналоговых преобразователей, динамика и 
устойчивость линейных и импульсных стаби лизаторов напряжения и некоторые другие оказались 
практически не затронутыми. Кроме того, с момента написания этих книг прошло уже 
более 10 лет и за это время не только кардинально улучшились параметры уже известных типов 
интегральных микро схем, но и появились новые виды, такие как интегральные акселерометры, 
гироскопы и другие интегральные датчики, измерители энергии, источники опорного напряжения 
типа хFET, микросхемы прямого цифрового синтеза, конвейерные АЦП, сигма-дельта ЦАП, 
ШИМ усилители мощности и др. 
Предлагаемая читателю книга освещает ограниченную, но очень важную область полупроводниковой 
схемотехники — принципы построения, свойства, схемотехнику и особенности 
применения аналоговых и аналого-цифровых интегральных микросхем (ИМС). В этой книге не 
рассматриваются технологии производства микросхем, почти не уделено внимания конструкции 
интегральных транзисторов, диодов, резисторов и дру гих элементов — читатель может получить 
эти сведения в специальной литературе. Вну тренняя схемотехника ИМС рассмотрена 
довольно упрощённо. 
Для того чтобы создать у читателя хотя бы самое общее представление о возможно стях современных 
аналоговых и аналого-цифровых микросхем, в книге приведены наи более важные 
параметры некоторых промышленных типов ИМС. 
При написании этой книги автор попытался проследить, наряду с чисто техниче ским, 
и исторический процесс развития аналоговой и аналого-цифровой интегральной схемотехни-
ки, отметить творческие удачи разработчиков аналоговых микросхем. 
Автор предполагает, что читатели уже изучили основы электротехники и электрони ки, 
и в том числе, пусть элементарно, цифровую технику, а также начала теории автома тического 
управления. По цифровой технике можно рекомендовать, помимо уже упоми навшихся книг, 
прекрасно написанный учебник «Цифровая схемотехника» профессора Е. П. Угрюмова, и «Основы 
цифровой электроники» Р. Токхейма. По теории автоматиче ского управления различных 
по объёму и научному уровню учебников очень много. На пример, основные сведения содержит 
неплохой компактный учебник «Основы теории и элементы систем автоматического регулирования» 
В. В. Солодовникова, В. Н. Плотни кова и А. В. Яковлева. 
Автор выражает благодарность всем коллегам, принявшим участие в обсуждении материалов 
этой книги, и, в особенности, дочери Татьяне, взявшей на себя большой труд по технической 
подготовке текста и рисунков. 

ПРЕДИСЛОВИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ  
К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ

В настоящем издании книга дополнена разделами, в которых описаны полностью дифференциальные 
усилители, усилители с регулируемым усилением, преобразователи ёмкость-код 
и интегральные микромеханические гироскопы. Значительно расширена теоретическая часть, 
касающаяся цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования. Добавлен материал по 
прецизионным ограничителям, многодатчиковым измерительным мостам, измерению тока, светодиодным 
драйверам. Расширены разделы, посвященные источникам тока на ОУ, измерительным 
усилителям, логарифмическим преобразователям, широкополосным усилителям, скоростным 
аналоговым компараторам, драйверам МОП-транзисторов, интегральным датчикам Холла. 
Раздел, посвященный устойчивости импульсных преобразователей, дополнен моделированием 
однотактных преобразователей в пакете VisSim. В таблицах и тексте обновлены модели интегральных 
микросхем.

  ■  3

ВВЕДЕНИЕ

Аналоговые устройства обработки сигналов продолжают занимать важное место 

в промышленной электронике. Это объясняется тем, что большинство типов первичных 
преобразователей физических величин — датчики температуры, давления и пр. — являются 
источниками аналоговых сигналов, а многие исполнительные элементы в объектах 
управления — электродвигатели, электромагниты и т. п. — управляются непрерывно изменяющимся 
электрическим током. Сложные системы управления, основой которых являются 
цифровые вычислительные комплексы, сопрягаются с объектами управления 
и датчиками с помощью аналоговых и аналого-цифровых устройств. Всё это стимулирует 
ежегодное появление в мире многих десятков новых моделей аналоговых и аналого-
цифровых ИМС. С точки зрения технологии изготовления ИМС делятся на полупроводниковые (
монолитные, твердотельные), изготавливаемые целиком на одной пластине 
кремния, и гибридные, у которых резисторы, конденсаторы и соединительные проводники 
изготавливаются методами плёночной технологии, а бескорпусные активные элементы 
в виде чипов приклеиваются на пассивную часть схемы. Гибридные ИМС дороги, менее 
надёжны и применяются обычно в тех случаях, когда отсутствуют монолитные ИМС 
с необходимыми параметрами. Поэтому большинство современных моделей ИМС монолитные.


История интегральных микросхем началась 12 сентября 1958 г., когда в лаборатории 

фирмы Texas Instruments Джеком Килби (Jack S. Kilby) был продемонстрирован генератор 
сигналов, изготовленный им на кусочке германия размером 11 × 1.5 мм. В 2000 г. Дж. Кил-
би за изобретение интегральной схемы был удостоен Нобелевской премии по физике (совместно 
с российским физиком Жоресом Алфёровым и Гербертом Кремером (США)). 
В следующем 1959 г. одним из основателей фирмы Fairchild Semiconductor Джином Хорни 
был запатентован мезапланарный технологический процесс на кремниевой подложке, а 
другой основатель этой фирмы, Роберт Нойс, предложил основанный на этом процессе 
вариант интегральной схемы с межсоединениями посредством металлизации, который 
и получил дальнейшее развитие. Появление интегральной микросхемы было вызвано 
стремлением снизить стоимость и повысить надёжность электронных устройств за счёт 
параллельного изготовления в едином технологическом процессе как активных элементов (
транзисторов и диодов), так и пассивных (резисторов и конденсаторов). Впоследствии 
оказалось, что совместное изготовление транзисторов позволяет лучше согласовать 
их характеристики, а это очень важно, например, для входных каскадов операционных 
усилителей. Расположение транзисторов в непосредственном тепловом контакте 
друг с другом обеспечило повышение температурной стабильности аналоговых схем, а 
микроскопические размеры и близость элементов друг к другу — повышение их быстродействия.


Парадоксально, но в 1958 г. даже в США промышленность оказалась не готова к вос-

приятию интегральных микросхем, несмотря на то, что проблемы, связанные с увеличением 
числа компонентов в одном изделии, уже тогда стояли очень остро. Всерьёз тогда 
ими заинтересовались только военные. Только после того, как при участии Дж. Килби 

■  Предисловие. Введение

был изготовлен первый микрокалькулятор, началось бурное развитие микросхемотехники 
и технологии её реализации. Промежуточные (далеко ещё не окончательные) итоги 
этого развития мы можем наблюдать сейчас. Если в 1958 г. одиночный транзистор с посредственными, 
по нынешним понятиям, характеристиками стоил $10, то сегодня за те 
же деньги можно прибрести модуль памяти, содержащий несколько сотен миллионов 
транзисторов.

Во многом благодаря развитию интегральных схем мировой рынок электроники вы-

рос с $29 млрд в 1961 г. до $1275 млрд в 2005 г., причём доля собственно микросхем составила 
в 2005 г. $193 млрд. Несмотря на доминирование на рынке цифровых электронных 
компонентов, процентная доля аналоговых устройств с 1970 г. всё время остаётся на 
одном и том же уровне — примерно 20…25%. Всё это позволяет считать, что квалифицированные 
специалисты по аналоговой и аналого-цифровой схемотехнике будут востребованы 
ещё многие годы.

Введение

1.1. История изобретения и развития операционных усилителей  ■  5

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

1.1.  История изобретения и развития операционных 

усилителей

Операционный усилитель (ОУ) был создан для выполнения математических опера-

ций в аналоговых вычислительных машинах. Термин «операционный усилитель» был 
введён в 1947 г. профессором Колумбийского университета Джоном Рагаззини для обозначения 
усилителя «…соединённого так, что он может выполнять математические операции 
над напряжениями, приложенными к его входу…».

Основой ОУ является дифференциальный усилительный каскад, запатентованный 

в 1936 г. Аланом Бламлайном (Великобритания). На базе этого изобретения Гарольд Гольдберг 
в 1940 г. разработал многокаскадный дифференциальный усилитель с непосредственными 
связями для усиления биомедицинских сигналов.

Начало Второй Мировой войны вызвало потребность в быстрых расчётах, в частно-

сти, для вычисления упреждения в приборах управления артиллерийским зенитным огнём (
ПУАЗО). Уже в мае 1941 г. Кларенс Ловелл запатентовал «Артиллерийский предсказатель» 
на основе ОУ, выполняющих повторение, инвертирование, суммирование и дифференцирование 
электрических сигналов. Применение ПУАЗО М-9, выпущенных во время 
войны фирмой Western Electric в количестве 3000 шт., позволило сократить расход 
снарядов на один сбитый самолёт в 10 раз!

ОУ, используемые в М-9, были очень доро-

ги, тихоходны (полоса пропускания без обратной 
связи — всего 1 Гц) и громоздки. После войны 
Лейб Джули, сотрудник Дж. Рагаззини, 
спроектировал полностью дифференциальный 
ОУ на двух двойных электровакуумных 
триодах, который имел полосу 1 кГц. Впоследствии 
Джордж Филбрик, по заказу которого 
Л. Джули выполнял свою разработку, усовершенствовал 
этот ОУ и под названием K2-W, запустил 
в массовое производство в 1953 г. Усилитель 
K2-W (Рис. 1.1) обладал коэффициентом 
усиления 15000, потреблял 4.5 мА от источников ±
300 В и стоил $20.

Первые ОУ представляли собой громоздкие 

устройства. С заменой ламп транзисторами 
операционные усилители стали меньше, надёжнее, 
и сфера их применения расширилась. 
Один из первых операционных усилителей на 
транзисторах P65, был разработан в конце 50-х 

ГЛАВА 1

Рис. 1.1. Операционный усилитель K2-W.

■  Глава 1. Операционные усилители

годов Аланом Пирлменом в фирме GAP/R Дж. Филбрика. Более совершенный ОУ P45 
этой фирмы, спроектированный Робертом Пизом, начал выпускаться в 1963 г. Он включал 
два дифференциальных каскада, усилитель напряжения и двухтактный эмиттерный 
повторитель. Усиление напряжения составляло 50000, а произведение усиление на полосу — 
100 МГц! Розничная цена P45 также была немалой — $118. Требования к увеличению 
надёжности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров способствовали 
развитию интегральных микросхем. Первый интегральный ОУ µА702 (отечественный 
аналог 140УД1), имевший некоторый рыночный успех, был разработан Робертом Видла-
ром (R. J. Widlar) в 1963 г. Этот усилитель, построенный по традиционной схеме, имел 
низкий коэффициент усиления, большие входные токи и несимметричный выход (разное 
выходное сопротивление для положительной и отрицательной полуволны выходного 
сигнала). Значительно уступая по характеристикам модульным ОУ на дискретных транзисторах, 
он был воспринят многими инженерами скептически.

Роберт Видлар (Рис. 1.2) — один из основных творцов аналоговых интегральных 

схем. Без преувеличения его можно назвать гением аналоговой электроники. Закончив 
в 1962 г. Колорадский университет (США), в 1963 г. он возглавил отдел линейных интегральных 
схем в фирме Fairchild. За три года работы в этой фирме Видлар разработал 
и внедрил в производство свою всемирно известную «линейную серию» (в скобках указаны 
отечественные репликаты этих классических изделий): µА702 (140УД1), µА709 
(153УД1), µА710 (521СА2), µА711 (521СА1), µА723 (142ЕН2), µА726.

В 1966 г. он перешёл в фирму National Semiconductor, занял должность директора по 

перспективным схемам и до 1971 г. сделал микросхемы следующего поколения: LM101 
(153УД2), LM101A (153УД6), LM108 (140УД14), LM102, LM109 (142ЕН5), LM111 (521СА3), 
LM139 (1401СА1). Таким образом, Р. Видлар заложил основы для развития четырёх направлений 
аналоговых ИС: операционных усилителей, аналоговых компараторов, источников 
опорного напряжения на ширине запрещённой зоны и линейных стабилизаторов 
напряжения.

Через два года Р. Видлар разработал усилитель µА709 [1.2], трёхкаскадный, с большим 

коэффициентом усиления и симметричным выходом, но сложной схемой коррекции частотной 
характеристики. Этот усилитель по своим характеристикам мало чем уступал 
своим модульным современникам, выгодно 
отличаясь от них размерами и ценой. Усилитель 
µА709 нашёл широкое распространение 
в массовой аналоговой аппаратуре обработки 
данных. Ежегодный мировой выпуск 
этой ИМС оценивался в 1970 г. на уровне 
20…30 млн шт. В основном на применении 
этого ОУ была подготовлена схемотехниче-
ская база для применения следующих поколений 
операционных усилителей.

В 1967—68 гг. Р. Видлар разработал двух-

каскадный ОУ LM101 [3] и его усовершенствованный 
вариант LM101А. Эти усилители 
явились настоящим прорывом в аналоговой 
интегральной схемотехнике. Для них характерны 
простая система частотной коррекции (
всего один конденсатор), высокий 
коэффициент усиления (до 150 000) и низкие 
входные токи (особенно у LM101А). Усилители 
LM101 и LM101А в отличие от µА709 не 
Рис. 1.2. Роберт Видлар (1937—91).

1.2. Общие сведения об ОУ  ■  7

требовали внешних цепей защиты входа и выхода, что весьма упрощало их применение. 
Видлар вышел за рамки привычных представлений о транзисторе как о трёхэлектродном 
приборе. В его новых разработках транзисторы имели по нескольку коллекторов и эмиттеров, 
поэтому принципиальные схемы ОУ стали значительно отличаться от традиционных. (
Более полно история создания и развития ОУ изложена в [1.13]).

В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операцион-

ные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дёшевы, что способствует 
их массовому распространению.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими 
значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом 
усиления

По размерам и цене ОУ общего применения практически не отличаются от отдельно-

го транзистора. В то же время преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно 
определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью 
и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам 
ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается 
значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители 
в основном вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем («кирпичиков») 
во многих областях аналоговой схемотехники.

1.2.  Общие сведения об ОУ

На Рис. 1.3, а приведено схемное обозначение операционного усилителя. Входной ка-

скад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель 
имеет два входа. В дальнейшем будем обозначать неинвертирующий вход буквой 
p (positive — положительный), а инвертирующий — буквой n (negative — отрицательный). 
Выходное напряжение VOUT зависит от разности входных напряжений:
 
VOUT = f(V1 − V2).

Упрощённый график этой зависимости приведён на Рис. 1.3, б.

неинвертирующий

вход

инвертирующий

вход

V
V
V
1
2
OUT
-VS
+VS

a)

VOUT

V D

-VS

+VS
+VM

-VM
A’

A

0

B

B’

б)

Рис. 1.3. Обозначение ОУ (а) и его статическая переходная характеристика (б).

В линейном режиме (на участке AOA´) выходной сигнал пропорционален входному

 
VOUT = KV(V1 − V2),

где KV — коэффициент усиления дифференциального сигнала.

На участках ограничения AB и A´B´ коэффициент усиления равен нулю:

 

■  Глава 1. Операционные усилители

Разность входных напряжений VD = V1 − V2 называется входным напряжением (дифференциальным 
сигналом). Полусумма входных напряжений VC = (V1+V2)/2 называется 
синфазным входным напряжением (синфазным сигналом). Иногда синфазным называют 
также напряжение на неинвертирующем входе.

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положитель-

ными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двуполярное 
питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, 
которые, как это показано на Рис. 1.3, а, подключаются к соответствующим внешним 
выводам ОУ. Первоначально интегральные операционные усилители были рассчитаны 
на напряжение питания ±15 В, а в настоящее время существует немало моделей, которые 
имеют как существенно бóльшее, так и заметно меньшее напряжение питания. В дальнейшем, 
рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.


Напряжения насыщения выхода +VМ и −VМ определяются напряжениями питания 

и схемотехникой выходного каскада ОУ. По абсолютно величине они несколько меньше 
соответствующих напряжений питания.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда 

охвачен глубокой отрицательной обратной связью (ООС), свойства которой и определяют 
свойства схемы с ОУ. Обратная связь в усилителях запатентована Гарольдом Блэком 
в 1928 г.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется Рис. 1.4.

VIN
VD
VOUT

β VOUT

Усилитель

КV

Цепь обратной связи

β

+

–

Рис. 1.4. Принцип отрицательной обратной связи.

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу уси-

лителя. Если, как это показано на Рис. 1.4, напряжение обратной связи вычитается из 
входного напряжения, обратная связь называется отрицательной, в противном случае — 
положительной.

Для физического анализа схемы, представленной на Рис. 1.4, допустим, что входное 

напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения VIN. В первый 
момент выходное напряжение VOUT, а следовательно, и напряжение обратной связи βVOUT 
также равны нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, 
составит VD = VIN. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом 
усиления KV, то величина VOUT быстро возрастёт до некоторого положительного 
значения, и вместе с ней возрастёт также величина βVOUT. Это приведёт к уменьшению 
напряжения VD, приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение 
воздействует на входное напряжение, причём так, что это влияние направлено 
в сторону, противоположную изменениям входной величины, и есть проявление отрицательной 
обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение 
ОУ
 
VOUT = KVVD = KV(VIN − βVOUT).

Решив это уравнение относительно VOUT, получим:

 
K = VOUT /VIN = KV/(1 + βKV).  
(1.1)