Wzmacniacz. Ogólnie

Wzmacniacz. Ogólnie

  Tylko człowiek ma umiejętność abstrakcyjnego i spekulatywnego myślenia oraz tworzenia.

Ludzkość trwała w stagnacji ( roczny wzrost gospodarczy poniżej 0.2-0.5% ) aż do połowy XVIII wieku gdy w Anglii zaczął z oporami rodzić się kapitalizm przemysłowy i trwały ( pomijając wahania koniunktury czyli kryzysy ) wzrost gospodarczy. Długie okresy powolnego wzrostu gospodarczego ( nawet wieloletnie tempo wzrostu 0.1-0.2% rocznie powodowało duże różnice w poziomie gospodarczym krajów czy raczej obszarów ) przeplatały się wcześniej z rujnującymi kataklizmami i wojnami.

Od lat osiemdziesiątych XIX wielu centrum cywilizacji przeniosło się z Europy do Stanów Zjednoczonych. Wtedy rozpoczął się tam wysp wynalazków w dodatku wdrażanych do masowej produkcji przemysłowej. Przyczyna była prozaiczna. Obfitości kapitału naturalnego, rzeczowego i finansowego towarzyszyły braki w drożejącej sile roboczej i to mimo potężnej imigracji. Prowadzono więc zdeterminowane prace nad mechanizacją a potem automatyzacją produkcji aby oszczędzić na drogiej pracy i zarobić. Powstawały więc coraz to bardziej skomplikowane maszyny !

Wdrożenie do produkcji opatentowanego czyli chronionego prawem odkrycia dawało potężną przewagę nad konkurencją. Przedsiębiorcy i twórcy mieli silny motyw do pracy – wielkie pieniądze do zarobienia ! Rozbudowana sieć kolei zintegrowała gospodarczo cały kraj tworząc przeogromny rynek. Masowa produkcja samochodów narodziła się w USA, które przed wojną miały więcej samochodów niż cała reszta świata. Ojcem masowego samochodu jest genialny Henry Ford. Stany Zjednoczone były faktycznie jedynym zwycięzcą w II Wojnie Światowej. Przerażający spektakl diabelskiej mocy zniszczenia nad Hiroszimą i Nagasaki uświadomił wszystkim jak wielka jest przewaga technologiczna, gospodarcza i militarna USA nad światem. USA wojnę ( intencjonalnie z ich strony była to wojna powietrzna ) wygrały z laboratoriach i fabrykach tracąc w wojnie z Niemcami i Japonią zaledwie 403 tysiące ludzi.

Pojęcie kapitału ewoluuje na przestrzeni wieków. Kiedyś kapitałem była ziemia rolna i chłopi pańszczyźniani czyli niewolnicy. Najwcześniej realizowalny pomysł na zarobek stał się kapitałem w USA. Podstawowe potrzeby są tam zaspokojone od dawna i potrzebny jest do produkcji nowy towar i nowa potrzeba. Henry Ford z pomysłem samochodu z silnikiem spalinowym bankrutował trzy razy nie spłacając wierzycieli. Obecnie na giełdzie wysoko notowane są firmy które wdrażają nowości albo nawet tylko zapowiadają że takie mają ! Pieniądze z oszczędności obywateli i firm szukają okazji do zarobku i dobrze rokujące firmy są wysoko notowane.

Teraz dopiero okazuje się że Polska za dziesiątki miliardów pożyczonych dolarów kupił ponad 250 licencji na wszystko. Fiat 125, 126, autobus Berliet, ciągnik Massey Fergusson, silniki wysokoprężne, magnetofon kasetowy Thomson, czarno biały odbiornik scalono tranzystorowy Telefunken, zintegrowana głowica telewizyjna od Thomsona, tranzystory, układy scalone, tyrystory od Thomsona, RCA, Sanyo, Westinghouse ...

Zatem kupiliśmy uprzedmiotowione pomysły a sprzedajemy swoją tanią prace eksportując węgiel i miedź. Efekty tego widać gołym okiem na coraz bardziej pustych półkach sklepowych.

Z braku komunikacji wielokrotnie zdarzały się identyczne odkrycia w różnych krajach a nawet powtórne zapomniane już odkrycia. Wielokrotnie wyważano dawno otwarte już drzwi także w konstrukcjach różnych urządzeń.

Obecnie elektronika stosowana jest nieomal wszędzie – we wszelkich urządzeniach laboratoryjnych, urządzeniach przemysłowych, w wyposażeniu domu, komunikacji i telekomunikacji, samochodzie, samolocie, rakiecie, sprzęcie militarnym, medycynie...

Przykładowo możliwości alternatywnej przemysłowej automatyki pneumatycznej są ograniczone na tle automatyki elektronicznej.

Bez elektroniki systemu sterowania z sensorami, monitoringu i alarmu nie może bezpiecznie pracować energetyczny reaktor jądrowy choć przede wszystkim jego konstrukcja powinna zapewniać bezpieczeństwo radzenia sobie z ciepłem powyłączeniowym.

W nowoczesnych systemach broni najważniejsza jest właśnie elektronika.

Wysoki poziom bezpieczeństwa rejsowe samoloty odrzutowe zawdzięczają też elektronice. Stąd rosnąca popularność podróży lotniczych i malejące ceny biletów lotniczych.

Elektroniczny wtrysk paliwa i zapłon w silniku samochodowym polepsza parametry silnika spalinowego i zmniejsza zużycie paliwa co nie zmienia faktu że nadal jest to tylko silnik spalinowy ze wszystkimi jego wadami i zaletami.

W latach pięćdziesiątych panowała fascynacja energią jądrową która miała być bardzo tanim lekarstwem na wszystko. Okładki kolorowych czasopism zdobiły futurystyczne rysunki prywatnych odrzutowych samochodów-samolotów pionowego startu i lądowania dające ogromne możliwości szybkiego przemieszczania się czyli swobodę komunikacji. Z tego szybkiego fizycznego przemieszczania się do innych ludzi nic nie wyszło i raczej nie wyjdzie dlatego że postęp w energetyce zrobił się ślamazarny i nie ma nadziei na zmianę tego stanu rzeczy. Natomiast coraz łatwiej przesyła się informacje co pozwala na pośredni kontakt z ludźmi telekomunikacją.

W Polsce telekomunikacja jest strasznie zapóźniona zwłaszcza międzymiastowa.

Tragikomedią jest zamawianie połączeń międzymiastowych u telefonistki.

Według Rocznika Statystycznego w USA jest 762 numerów czyli też linii i aparatów telefonicznych na 1000 obywateli. W Europie zachodniej ogólnie ponad 400. Natomiast w Polsce jedynie 82. Zła sytuacja w telekomunikacji jest we wszystkich krajach RWPG gdzie trochę wyróżniają się pozytywnie NRD i Czechosłowacja.

Aparaty telefoniczne i wszystko do linii abonenckich jest produkcją masową. Ale także produkcja central telefonicznych i systemów przesyłu jest wartościowo bardzo duża.

W Japonii produkuje się na potrzeby własne i na wielki eksport rocznie 140 odbiorników telewizyjnych na 1000 ludności. 2/3 z nich to odbiorniki kolorowe. W USA 51 sztuk, RFN 71, Anglii 40. Na zachodzie odbiorniki czarno białe wychodzą z produkcji. Odbiorniki kolorowe stanowią tam około 2/3 produkcji ale w RFN ponad 86%. Produkcja w Polsce wynosi 19.8 odbiorników ale odbiorniki kolorowe stanowią mniej niż 4% całości. Jest to odbiornik T5601 na licencji francuskiej i strasznie przestarzałe radzieckie Rubiny.

Urządzenia profesjonalne produkowane są jednostko ale także w dziesiątkach tysięcy sztuk rocznie. Zachodnie kraje małe i średnie nie podejmują mikroskopijnej produkcji importując potrzebny sprzęt. Wymiana handlowa jest intensywna. Nawet USA nie są samodzielne technologicznie i produktowo w całym repertuarze potrzeb.

Niestety wymiana między krajami RWPG jest mała i kraje te podejmują z przymusu ( blokada USA ) zupełnie nieopłacalną, małą produkcją prowadzoną także w innych krajach co przecież jest nonsensem.

USA w dziedzinie mikroelektroniki prowadza blokadę technologiczną krajów RWPG.

Na Zachodzie ( tutaj rozumiane jak USA, Europa Zachodnia i Japonia) coraz większą popularność zyskują maszyny sterowane numerycznie NC i CNC.

Obrabiarek skrawających produkuje się w Polsce rocznie około 29 tysięcy sztuk a obrabiarek do obróbki plastycznej 10 tysięcy sztuk. Ułamek z tego w przyszłości będą stanowić maszyny CNC. Produkcja elektroniki do tych maszyn jest więc niewielka na tle masowej produkcji elektroniki.

Wzmacniacze operacyjne używane są wszędzie:

-Układach „kondycjonujących” i przetwarzających wszelkich sensorów. Istnieje kilkaset różnych rozwiązań do różnych sensorów

-Regulatorach PI-PID w układach automatyki

-Jako wolne komparatory zwłaszcza w zastosowaniach przemysłowych

-Filtrach aktywnych

-Systemy telekomunikacyjne

-Energoelektronice

-Generatorach sygnałów sinusoidalnych, prostokątnych i trójkątnych

zwłaszcza przestrajanych napięciem jako VCO i jako przetwornika napięcie na częstotliwość V/F.

-W układach Próbkująco Pamiętających

-W układach realizujących funkcje nieliniowe. Na przykład do linearyzacji pomiaru przepływu z różnicy ciśnień potrzebne jest pierwiastkowanie

-W układach logarytmicznych i antylogarytmicznych. Bardzo dobre własności mają układy logarytmujące z tranzystorem na bardzo małe prądy wejściowe

-Prostowniki szczytowe i idealne

-Przetwornik wartości skutecznej sygnału RMS

-W przetwornikach A/D i D/A.

-Bufory przetworników A/D i D/A

-Zasilacze

-Komputery analogowe i hybrydowe

-Jako podsystem w większym układzie scalonym

Pionierem monolitycznych cyfrowych i analogowych układów scalonych był amerykański Fairchild. Układ operacyjnego wzmacniacza szerokopasmowego uA702 z 1963 roku z racji wad i zaporowej ceny nie zrobił kariery. Powolny ale uniwersalny układ uA709 z 1965 roku naśladowczo produkowany był przez wiele firm świata także w RWPG ale niektóre kopie były mocno niedoskonale. Szerokopasmowy układ uA715 też nie zrobił kariery. Niszowe zastosowania ma układ uA725 ( także popularne są jego kopie ) o małym dryfcie napięciowym.

Popularność zdobył szerokopasmowy ale nieoperacyjny wzmacniacz uA733.

Fairchild szybko stracił prymat. Jego bardzo popularny układ uA741 z 1968 roku był naśladowczy w stosunku do znacznie lepszego układu LM101 National Semiconductor z 1967 roku. O popularności zadecydowała niższa cena uA741.

Dobre parametry ma chętnie kopiowany układ z tranzystorami Super Beta LM108 z 1968 roku.

Popularny jest też wzmacniacz programowalny uA776 także z licznymi kopiami.

Pionierski wzmacniacz uA740 z wejściem JFet z racji wad także się nie przyjął. Dopiero NS wyprodukował niedrogie i dobre układy z wejściem JFet typu LF155-157. Pionierem wzmacniaczy MOS i CMOS jest koncern RCA.

Wzmacniacz operacyjny uA791 z wyjściem mocy o prądzie 1A stał się prekursorem wysokiej jakości wzmacniaczy akustycznych zbudowanych tak jak wzmacniacz operacyjny z symetrycznym zasilaniem.

O ile Fairchild i NS ( i ich naśladowcy ) produkują masowo i sprzedają po umiarkowanych cenach to Analog Devices i Burr Brown oferują niszowe układy bardzo dobre ale szokująco drogie.

Popularyzatorem wiedzy o zastosowaniach wszelkich układów scalonych a w tym wzmacniaczy operacyjnych ( Application Note ) są koncerny produkujące układy. National Semiconductor publikuje chętnie przedrukowywane i omawiane w literaturze Application Note do różnych układów analogowych, nie tylko wzmacniaczy. W AN-4 z 1968 roku „Monolithic OP-AMP-The Uniwersal Linear Component” omówiono wzmacniacz różnicowy ( Instrumentalny), wzmacniacz jako komparator, bufor do wzmacniacza zwiększający obciążalność prądową, dodanie pary różnicowej tranzystorów JFet na wejściu celem uzyskania bardzo małego prądu polaryzacji i szumów, detektor szczytowy, układ Sample Hold czyli Próbkująco Pamiętający, Stabilny układ o odcinkowej charakterystyce nieliniowej, układ antynasyceniowy, układ mnożąco dzielący, układ pierwiastkujący, kompensacje destabilizującej pojemności wejściowej wzmacniacza.

Wydawane w świecie książki o elektronice są strasznie przestarzałe, nie tylko w Polsce. W prestiżowych czasopismach naukowo - technicznych pojawiają się znakomite artykuły wiodących pracowników koncernów półprzewodnikowych i firm produkujących technologie dla nich.

Pojawienie się tanich mikrokontrolerów spowodowało że NS wypuścił układ ADC0816 w technologi CMOS będący 8 bitowym przetwornikiem A/D z 16 kanałowym multiplexerem wejściowym z interfejsem wprost do mikrokontrolera. System analogowych wejść zrobił się tani i trywialny.

Dokładność 8 bitów może być za mała ale to nie jest przecież ostatnie słowo ale dopiero pierwsze.

Technologia CMOS wydaje się absolutnie przyszłościowa jako że można na przykład z mikrokontrolerem scalić funkcjonalność taką jak ADC0816.

Bardzo słabe własności częstotliwościowe monolitycznych tranzystorów PNP w konwencjonalnej taniej technologi są powodem powolności popularnych wzmacniaczy operacyjnych. Po prawdzie szybkich wzmacniaczy operacyjnych nie potrzeba wcale wiele co demobilizuje producentów w wysiłkach technologicznych. Z drugiej strony gdyby takie wzmacniacze były tanie i dostępne na pewno znajdą się dla nich zastosowania.

W technologi CMOS tranzystor P jest około 2-3 razy wolniejszy niż N czyli dysproporcje szybkości są o wiele mniejsze niż w układzie bipolarnym.

Rozkład elementów mikroprocesorów ( także układy peryferyjne i pamięci ) projektuje się już z użyciem komputerów. Natomiast działanie projektowanych układów analogowych sprawdza się na fizycznym modelu układu wykonanym z odpowiednich elementów dyskretnych. Sprawdzenie to uchodzi za pewne bowiem modele komputerowe są za mocno uproszczone i nie zawsze model komputerowy daje zgodny wynik z rzeczywistością a wyprodukowany prototyp IC nie działa jak trzeba albo nawet wcale nie działa. Układy analogowe mają niewiele elementów i polutowanie modelu nie jest czasochłonne. Model musi być ciasny aby długie połączenia ( w IC ich nie ma ) nie były przyczyną powstania lokalnych pasożytniczych generatorów na zakresie VHF-UHF.

Jako tranzystory PNP stosujemy starsze tranzystory krzemowe stopowo-dyfuzyjne produkcji ZSRR o częstotliwości ca 2 MHz. Tranzystory germanowe są tu bezużyteczne z uwagi na za małe napięcie Ube i duży prąd upływu.

Pierwotnym źródłem elektrycznych sygnałów są głównie przeróżne sensory używane w przemyśle, militariach, badaniach i rozwoju oraz w dziale RTV i medycynie... Sensor często ma własną elektronikę ( typowo używającą wzmacniaczy operacyjnych ) wytwarzającą łatwy do przesłania i dalszego przetwarzania standardowy sygnał elektryczny jak 0-10V lub 0/4-20mA.

Produkowane są scalone sensory temperatury. Dla rozsądnych zakresów temperatur dobrym sensorem jest też dioda lub tranzystor ale oczywiście muszą być obudowane.

National Semiconductor produkuje sensory ciśnienia. Układ hybrydowy na podłożu ceramicznym zawiera sensor oraz układy zasilania i kompensacji temperaturowej sensora oraz chipy monolitycznych wzmacniaczy sygnałów. Hybrydowe sensory są umieszczone w hermetycznej obudowie metalowej ze złączem do medium lub w obudowie plastikowej do montażu na płycie drukowanej z rurką do nałożenia plastikowego przewodu z medium. Mierzą ciśnienia absolutne lub różnicowe do przepływomierzy. Sam sensor to krzemowy monolityczny mostek prawdopodobnie ( nie jest to powiedziane ) piezorezystancyjny.

NS wymienia liczne zastosowania dla swoich sensorów ciśnienia.

Sensory NS są dużo mniejsze i tańsze niż klasyczne sensory ciśnienia stosujące rurkę Bourdona i sensor przemieszczenia liniowego LVDT.

Sensorem jest mikrofon i odbiorcza antena radiowa. Anteny kierunkowe w zakresie UHF i mikrofalowym mogą mieć spore a nawet bardzo duże wzmocnienie.

Źródłem sygnałów dla serwomechanizmów maszyny CNC jest minikomputer z wyjściowymi przetwornikami cyfrowo – analogowymi D/A interpretujący program obróbczy dla maszyny CNC w G-Code opracowany przez człowieka.

Wyprzedzając trochę tok wywodu.

Małe jest napięcie z sensorów - termopar ale ich oporność wewnętrzna jest mała i moc dysponowana źródła nie jest mała. Optymalny będzie wzmacniacz bipolarny o małym dryfcie napięciowym i małych szumach napięciowych ale jego prąd polaryzacji i niezrównoważenia wejścia praktycznie nie ma tu znaczenia.

Przeciwieństwo stanowią sensory elektrometryczne. Ogromna jest ich oporność wewnętrzna i bardzo mały prąd wyjściowy. Optymalny będzie wzmacniacz JFet o bardzo małym prądzie polaryzacji ale napięcie niezrównoważenia wejścia nie ma dużego znaczenia.

Pasmo sygnałów elektrycznych interesujących człowieka zawiera się w przedziale 0.000001Hz zwanym jako stałoprądowy do 100 GHz. Każdy sygnał w paśmie podstawowym lub zmodulowany analogowo lub cyfrowo niesie informacje.

Nowoczesne procesy przemysłowe nie mogą się obyć bez automatyzacji bowiem tolerancje parametrów procesów są coraz mniejsze.

Informacje o wolno zmiennej temperaturze obiektu przemysłowego mogą zbierać platynowe lub miedziane rezystancyjne sensory temperatury najczęściej PT100. Znacznie szybsze są termopary których pasmo może sięgać kilkunastu Hz.

Napięcie z termopary jest małe ale mała jest też jej oporność wewnętrzna i niemała potencjalna moc źródła ale wzmacniacze sygnału z termopary z tej potencjalnej mocy nie korzystają.

Impedancja wewnętrzna sensorów elektrometrycznych jest z kolei ogromna i wejściowy prąd polaryzacji wzmacniacza elektrometrycznego powinien być poniżej 1 pA

Małe częstotliwości z przedziału 20-20 000 Hz to domena sygnałów akustycznych. Zrozumiałość mowy szybko spada przy ograniczeniu pasma od góry poniżej 3.5 KHz i od dołu powyżej 0.5 KHz. Nieprzyjemnie odbierane są zniekształcenia nieliniowe sygnału. Słuch ludzki maksimum czułości ma przy częstotliwości 4 KHz i obcinanie pasma muzyki poniżej 7 KHz istotnie ją zubaża w odbiorze. Także mowa bez nadmiernego obcięcia pasma jest przyjemniejsza w odbiorze – jest pole działania dla telekomunikacji.

Najważniejszymi szerokopasmowymi zmysłami człowieka jest oko i ucho. W EEG rejestrujemy sygnały pracy mózgu. Czy uda się bezpośrednio do mózgu podać szerokopasmowe sygnały z dużą ilością informacji tego nie wiemy. Jaki jest strumień informacji w dźwięku i obrazie ? Mózg zawiera mnóstwo połączonych neuronów. Przy najszybszej obecnej scalonej logice ( najszybsze ECL<0.2 ns a NMOS 3 ns) są one strasznie powolne. Jest to zatem strasznie rozbudowany samoprogramujący się komputer równoległy o nieznanym algorytmie pracy.

Ucho ma zakres dynamiczny 120 db co wymaga w modulacji PCM użycia próbek 20 bitowych ! W telefonii stosowane jest nieliniowe kompresowanie próbek z 12 na 8 bitów. Załóżmy że 20 bitów skompresujemy na wygodniejsze dla minikomputerów 16 bitów. Najwyższa częstotliwość odbierana uchem wynosi 20 KHz czyli próbkowanie musi być co najmniej 40 KHz na sekundę. Dwa kanały stereofoniczne są niewystarczające do pełnego przekazu bowiem uszy lokalizują - odbierają także dźwięki z tyłu. Załóżmy że sprawę rozwiązują 4 kanały. Zatem strumień wynosiłby 2.56 Mbitów na sekundę. Strasznie dużo ! Ale aparat analityczny ucha - uszu przekazuje mózgowi dużo mniejszy strumień informacji. W analizującym i kodującym ślimaku ucha występuje między innymi efekt maskowania dźwięków i faktycznie do zakodowania sygnału tak aby ucho nie rozróżniło oryginału i zubożonego zakodowanego sygnału z usunięciem „nadmiaru” informacji potrzebny jest circa 100 krotnie mniejszy strumień informacji. Ale to zakodowanie wymaga wydajnego komputera i jest to dopiero melodia przyszłości.

W europejskiej 625 liniowej telewizji czarno – białej pasmo wizji wynosiło i wynosi 5 / 6 MHz. Ale pasmo luminancji w systemie kodowania PAL i Secam nie przekracza 4 MHz. Ile linii i jakie pasmo powinien mieć obraz telewizyjny aby nie były widoczne jego wady. Znacznie więcej niż obecnie ! Zatem strumień informacji PCM dla obrazu jest raczej większy od 100 Mbits na sekundę. Oczywiście oczy nie przekazują takiego strumienia informacji mózgowi. O kodowaniu obrazu przez oko też już sporo wiemy i na pewno jest sposób takiego zakodowania informacji z usunięciem jej zbędnego „nadmiaru” aby oko tego nie zauważyło.

Komputerowe systemy regulacji są jeszcze nowością. Literatura zachodnia podaje optymalne okresy ( sekunda do 10 sekund ) próbkowania sygnałów dla sensorów temperatury, ciśnienia, przypływu, poziomu... dla różnych obiektów regulacji. Zupełnie wystarczająca jest dla przetwornika A/D tego systemu dokładność 12 bitowa. Zatem strumień informacji z przemysłowych sensorów jest niewielki.

Sygnały szerokopasmowe nazwane umownie „Video” pochodzą z sensorów obrazu na przykład Vidiconu ( pasmo do 6 MHz), fotopowielacza lub diody lawinowej ( pasmo do 1GHz ale najczęściej kilkanaście MHz ) w impulsowym dalmierzu laserowym lub innym przyrządzie pomiarowym oraz po demodulacji z radaru oraz głowic odczytujących z dysków komputerowych i taśm magnetycznych pamięci i magnetowidów. Pasmo sygnału Video z kamery zaczyna zaczyna się od 0 Hz ale telewizyjny sygnał nie musi mieć składowej stałej DC jako że znany jest poziom odniesienia szczytów impulsów synchronizacji ponad poziomem czerni i składowa stałą DC jest łatwo odtwarzana prostym kluczowaniem. Amplituda sygnału z płytki sygnałowej Widikonu wynosi jedynie ca 0.1-0.2 uA.

Lampa elektronowa z racji dużych pojemności jest słabym przyrządem szerokopasmowym. Jest lepsza w zastosowaniach wąskopasmowych.

W lampowych wzmacniaczach szerokopasmowych stosowano kompensacje pojemności anody i siatki pierwszej z użyciem indukcyjności: szeregowej, równoległej, mieszanych i zdecydowanie najlepszej T - sprzężonych w jednej cewce z odczepem. Dodawano też równolegle do katodowego rezystora szeregowego ujemnego sprzężenia zwrotnego kondensator podnoszący wzmocnienie przy najwyższych częstotliwościach pasma.

Typowym przykładem wzmacniacza szerokopasmowego jest tor odchylania pionowego Y w oscyloskopach i wzmacniacz szerokopasmowy sterujący katody kineskopu w odbiorniku telewizyjnym sygnałem o amplitudzie do 100V.

Wykonany z elementów dyskretnych wielostopniowy wzmacniacz Y oscyloskopu ma liczne potencjometry i trymery pojemnościowe. Regulacja jest trudna i czasochłonna i co gorsza powinna być po kilku latach powtórzona. Jest to rozwiązanie kosztowne i przestarzałe. Dobrej klasy oscyloskop jest najbardziej wszechstronnym i użytecznym przyrządem pomiarowym zwłaszcza na etapie prac konstrukcyjnych. W serwisie wystarcza najprostsze przyrządy.

Zastosowanie nowoczesnych rozwiązań jak monolityczny wzmacniacz szerokopasmowy uA733 w oscyloskopie nie zmienia faktu że jest to tylko i wyłącznie oscyloskop. Przełomem było tylko wynalezienie lampy oscyloskopowej i jej zastosowania.

Przełomem będzie ( albo i nie) przetworzenie sygnału analogowego teraz obserwowanego przez człowieka na lampie oscyloskopowej na cyfrowy i jego automatyczna analiza programem komputerowym.

Przystawką do oscyloskopu jest na przykład wobuloskop. Operator obserwuje obraz charakterystyki częstotliwościowej filtru - wzmacniacza i na tej podstawie kręci rdzeniami ferrytowymi w strojonych indukcyjnościach obwodów LC częstotliwości pośredniej IF i rozgina lub zgina drutowe cewki obwodów LC i reguluje trymerki na zakresach VHF ( 30-300 MHz w w tym mały zakres UKF ) i UHF.

Przełomem będzie automatyzacja procesu gdy mikrkomputer wraz z przyrządami sterując serwomechanizmami regulującymi cewki obwodów LC szybko doskonale nastroi telewizyjną głowicę bowiem obwody LC w torze częstotliwości pośredniej fonii zostały wyparte przez filtry ceramiczne i scalone wzmacniacze szerokopasmowe.

Polska w 1972 roku kupiła od francuskiego Thomsona licencje na telewizyjne głowice zintegrowane ZTGxx. Jej uruchomienie w WZT sprawiło wielkie kłopoty i do dziś głowice nie są dobrze nastrojone !

Jeszcze trudniejsza dla pracowników jest regulacja układów zbieżności dynamicznej dla kolorowych kineskopów Delta. Przestarzałe kineskopy Delta są jednak wypierane przez kineskopy PIL (patent RCA ) które nie mają układów i regulacji zbieżności. Trudna jest też regulacja balansu bieli TVC.

Strojony obwód LC dla scalonego demodulatora kwadraturowego - koincydencyjnego FM lub „AM” ( telewizyjny sygnał z częściowo wytłumioną jedną wstęgą boczna VSB ) nie jest niezastąpiony. Równie dobrze można scalić niskoszumny generator RC w pętli PLL demodulatora zarówno FM jak i VSB.

O ile w demodulacji FM dźwięku w radiu czy odbiorniku TVC scalonym detektor koincydencyjnym nie daje przyrostu jakości ponad detektor stosunkowy to umożliwia dobrą demodulacje sygnału telewizyjnego zmodulowanego VSB niezbędną dla odbiornika kolorowego.

Układ głównie telewizyjnego wzmacniacza i demodulatora dźwięku FM TBA120 pobiera sporo prądu co jest bez znaczenia w odbiorniku telewizyjnym ale kompletnie nie nadaje się do przenośnego, zasilanego także z baterii radiomagnetofonu. Układ TBA120 znakomicie pracuje w TVC z filtrem ceramicznym nie wymagającym strojenia !

Układ scalony TBA120 z filtrem ceramicznym i niezbędnymi do pracy elementami RC i obwodem LC demodulatora zastępuje ponad 2 razy więcej elementów dyskretnych ! Elementy dyskretne są tańsze ale zajęte na płycie drukowanej PCB miejsce jest większe. Zmontowanie elementów i nastrojenie filtrów LC to także konkretny koszt. Co do miejsca to wielkie obwody LC stosowane w lampowych torach wzmacniacza IF zastąpiły kubki rozmiaru 10x10 a potem 7x7 a w Japonii nawet 5x5.

Automatyzacja strojenia obwodów IF nie będzie trudna. Kolejne podanie sygnału częstotliwości zer filtru IF ( tak zwane pułapki także skompensowane ) powoli na regulacje ich obwodów LC a podanie częstotliwości gdzie mają wystąpić maksima pozwala iteracyjnie wyregulować obwody LC biegunów. Najtrudniejsza jest weryfikacja gotowej charakterystyki i odrzucenie egzemplarza do naprawy nie spełniającego wymagań. Charakterystyką na wobuloskopie w półautomatyzacji może zaakceptować człowiek.

Kolejne udane technologicznie minikomputery Hewlett Packard rodziny HP2100 od 1967 roku powstały po to aby zarządzać pracą systemów pomiarowych i zbierać wyniki pomiarów. Hewlett Packard produkuje przecież głównie bardzo dobre przyrządy pomiarowe. Czasem lepsze przyrządy niż HP produkuje tylko Tektronix.

Od strony listy rozkazów minikomputer HP2100 był to tylko podpompowany z 12 na 16 bitów prymitywny minikomputer PDP 8. HP procesor scalił w technologi CMOS ! Jest to pierwszy produkowany mikroprocesor 16 bitowy. Natomiast Intersil wyprodukował mikroprocesor z listą rozkazów PDP-8. Z kolei mikroprocesor Intel 8008 ( 8080 to mocno udoskonalony 8008 ) to blokowo - funkcjonalna kopia w technologi NMOS procesora wykonanego na ponad 100 układach TTL.

Ta automatyzacja strojenia ma tylko sens przy masowej produkcji i tylko tam gdzie alternatywna praca ludzka jest droga. Roczne zapotrzebowanie w Polsce na kolorowe odbiorniki TVC może wynosić 0.7-1 mln sztuk pod warunkiem że cena nie będzie zaporowa czy wariacka. Można też TVC eksportować i produkować ich jeszcze więcej.

Najprostszą monolityczną technologią bipolarną wytwarza się tylko tranzystory i rezystory. Dioda jest odpowiednio połączonym tranzystorem. Monolityczny kondensator jest nieefektywny kosztowo – milimetr kwadratowy struktury to zaledwie maksymalnie 1000 pF pojemności kondensatora. Jest więc on kosztownym złem koniecznym. W układach monolitycznych nie stosuje się indukcyjności a indukcyjność wyprowadzeń chipa na piny obudowy jest zawsze szkodliwa i musi być minimalizowana.

Monolityczne wzmacniacze operacyjne i szerokopasmowe produkuje się po to aby konstruktorzy różnego sprzętu nie musieli po raz setny wyważać otwartych drzwi i projektować oraz budować tych wzmacniaczy. Są jak gotowa cegła lub pustak do budowy muru lub nawet prefabrykat. W dobie rosnącej złożoności układy scalone są w głównym nurcie rozwoju technologicznego !

Scalone wzmacniacze szerokopasmowe znacznie uprosiły konstrukcje oscyloskopów gdzie zastosowane są w torach wzmacniaczy Y i we wzmacniaczu X lub wzmacniaczu sygnału do synchronizacji.

Także zastosowanie scalonego szerokopasmowego wzmacniacza uA733 a dla wyższych częstotliwości par różnicowych układu scalonego 10116 z rodziny układów logicznych ECL w częstościomierzu upraszcza konstrukcje systemu wejściowego.

Przed II Wojną najlepszych fizyków świata miała III Rzesza ale to potężne Stany Zjednoczone były w stanie sfinansować i poprowadzić różne projekty a w tym projekt broni jądrowej. Naukowcy i inżynierowie niemieccy mieli sporo osiągnięć także w elektronice. Po splądrowaniu Niemiec przez specjalne ekipy poszukiwawczo - wywiadowcze USA i ZSRR ukradziono nie tylko rzeczy materialne ale ukradziono i wywieziono także inżynierów i techników. Czyli znowu najcennijszym kapitałem są pomysły ! Kradzież jeszcze umocniła światową pozycje USA i ZSRR.

Na potrzeby projektu jądrowego stworzono wiele przyrządów pomiarowych i metod badawczych.

W Bell Laboratories gdzie wynaleziono tranzystor bipolarny i tranzystor Mosfet poszukiwano elementu aktywnego do zastąpienia lampy elektronowej. Swoje wynalazki BL przede wszystkim stosował w nowych projektach AT&T bowiem koncern przewagę konkurencyjną uzyskiwał na drodze szeroko prowadzonych badań i nowoczesnych projektów niedostępnych dla konkurencji.

We współczesnym procesie produkcji półprzewodników najważniejsza jest fotolitografia i procesy z nią związane. Maszyny i urządzenia fotolitograficzne stworzono na podstawie najnowszych osiągnięć fizyki i chemii. Praktycznie zastosowano wyniki badań naukowych. To jest właśnie rzeczywista a nie pozorowana Nauka przez duże N. Nauka której nie mamy.

Tranzystory planarne powstają w takim samym procesie jak układy scalone i w USA produkcje układów scalonych uruchomiono bardzo szybko co Europie Zachodniej zajęło sporo czasu a Wschodniej jeszcze więcej.

Polska kupiła od ZSRR technologie do produkcji tranzystorów planarnych nazwanych u nas BF519 i pochodnych. Zdemontowane w 1970 roku sprawne urządzenia i zapas materiałów przywieziono z Woroneża i uruchomiono w Warszawie. Są to struktury radzieckich tranzystorów KT315 tylko w innej obudowie. Litera F w nazwie sugeruje tranzystor radiowy a jest to marny tranzystor gorszy niż zachodnie serii BC. Gdy kupiliśmy licencje i linie produkcyjne od Francji oraz przypadkowe maski do układów scalonych od Sanyo i RCA radziecka linia była wyśmiewana.

Kardynał Rochefucault powiedział że „wszyscy są niezadowoleni ze swojego losu ale wszyscy są zadowoleni ze swojego rozumu”. Gdy po protestach okazało się że Polska jest zadłużona na Zachodzie i trzeba zacisnąć pasa aby spłacać pożyczki jest jasne ze „rozwój” polskiej mikroelektroniki bez dolarów na zakup licencji jest zakończony.

Zapożyczyć się i nakupować byle czego to żadna sztuka. To prosta droga do bankructwa. Co innego rozwinąć technologie i zrobić nowe lepsze maszyny !

Prace prowadzone nad nowymi układami scalonymi są kosztowne i motywowane przyszłymi zyskami ze sprzedaży urządzeń z tymi kluczowymi układami lub zyskami ze sprzedaży tych układów. Duże koncerny mają uproszczone zadanie. Potężny holenderski Philips produkuje półprzewodniki dla siebie i na rynek. Scalenie dekodera kolorów PAL czy wzmacniacza IF z demodulatorem czy kontrolera zasilacza impulsowego można powiedzieć że było oczywistością. Wcześniej te układy były wykonywane na elementach dyskretnych a najwcześniej prymitywnie ( poza zasilaczem impulsowym ) na lampach. Scalenie pozwoliło obniżyć koszty i jednocześnie mocno podniosło jakość i funkcjonalność realizacji.

Zanim Intel a w ślad za nim inne koncerny wypuściły scalone mikroprocesory, mikroprocesorem nazywano płytę drukowaną na której mieścił się cały procesor minikomputera. Wcześniej procesor wykonywano na lampach, tranzystorach, układach scalonych SSI, MSI, LSI. Wcześniej przetwarzanie informacji próbowano wykonać mechanicznie i na przekaźnikach.

Nauka i technologia rozwijają się ewolucyjnie.

W USA największy repertuar produkcji półprzewodników ma Motorola ale w procesorach i pamięciach o ponad rok prowadzi Intel. Są to silne firmy. Część koncernów produkuje niemasowo półprzewodniki głównie do swoje produkcji finalnej , zwłaszcza firmy o podwójnym profilu produkcji cywilnej i zbrojeniowej.

Dużą produkcje półprzewodników mają koncerny Japońskie. Najsilniejszy w Europie Holenderski Philips kupił kilka firm w Wielkiej Brytanii i Niemczech.

Koszt fabryki najnowszych układów scalonych podwaja się co 4 lata co wymaga coraz większej produkcji. Część firm będzie musiała poprzestać na nienowoczesnej produkcji lub ją zamknąć.

W bloku RWPG wszystkie kraje mają fabryki półprzewodników nawet o tak mikroskopijnych gospodarkach jak Rumunia czy Bułgaria. W Jugosławii jest parę fabryk republikańskich z uwagi na tlące się waśnie narodowe. Sześć fabryk w RWPG produkuje podstawową linie układów TTL, które na zachodzie wychodzą już z użytku zastąpione głównie przez TTL-LS ! Wydaje się to nieracjonalne – Gdzie kucharek sześć tam nie ma co jeść !

Z uwagi na prowadzoną przez USA politykę blokady technologicznej krajów RWPG nie można oficjalnie kupić technologi mikroelektronicznej a nawet nowocześniejszych układów scalonych. Kraje RWPG w dziedzinie mikroelektroniki są w sytuacji produkcji przymusowej wynikającej z Zimnej Wojny. Tym większy sens miałaby specjalizacja produkcji mikroelektroniki w krajach RWPG i technologi dla niej.

Sytuacja w mikroelektronice RWPG jest zła i raczej będzie jeszcze gorsza a bez niej nie ma nowoczesnej produkcji finalnej.

W wojnie toczone są bitwy ale w II Wojnie oblegano też zablokowany Leningrad niczym w średniowieczu twierdze. Zdesperowana Japonia zdecydowała zaatakować USA dlatego że te od dawna zablokowały jej dostawy ropy naftowej i innych ważnych surowców. Japończycy atakując wiedzieli jak wielka jest dysproporcja w sile gospodarczej USA : Japonia i chcieli za wszelką cenę szybkiego rozstrzygnięcia aby później tylko utrzymać pozycje obronne.

Sygnały analogowe mogą być przetwarzane liniowo czyli filtrowane ( a w tym całkowanie i różniczkowanie), sumowane, opóźniane. Mogą być przetwarzane nieliniowo - modulowane w różnymi metodami, mieszane z sygnałem heterodyny w odbiorniku superheterodynowym, linearyzowane, przetwarzane w przetworniku A/D na postać cyfrową i tak dalej.

Do czasu wynalezienia tranzystora elementem aktywnym była lampa elektronowa.

Szybko zauważono że pojemności międzyelektrodowe w triodzie destabilizują wzmacniacz selektywny z filtrami LC deformując charakterystyki częstotliwościowe filtrów a nawet prowadząc do wzbudzenia się czyli powstania generatora. O ile pojemności są szkodliwe dla wzmacniacza to są mało szkodliwe dla generatora i średnio szkodliwe dla mieszacza – tak powstała idea odbiornika superheterodynowego gdzie dodatkowo wzmacniacze częstotliwości pośredniej ( dalej jako IF ) pracują przy mniejszej i ustalonej częstotliwości gdzie można uzyskać większe wzmocnienie. Celem zmniejszenia przecieku sygnału z wyjścia do wejścia lampy stosowano neutralizacje. Szkodliwe pojemności lampy zmniejszono w tetrodzie a następnie pentodzie. W pentodach przeznaczonych do telewizyjnych wzmacniaczy częstotliwości pośredniej IF zastosowano trzy zoptymalizowane lampy o dużym nachyleniu i pojemnościach między Anodą a Siatką 1 zmniejszonych tak dalece że nie trzeba ich brać pod uwagę.

Problem destabilizacji wzmacniacza selektywnego powtórnie powstał wraz z tranzystorami które miały początkowo duże pojemności. Stosowano kłopotliwą neutralizacje. Stosunkowo szybko opracowano technologie produkcji tranzystorów o małych pojemnościach Cbc. Telewizyjny wzmacniacz częstotliwości pośredniej stosował trzy tranzystory o małych pojemnościach Cbc i częstotliwości granicznej Ft nawet ponad 500 MHz.

Częstotliwość graniczna wielu tranzystorów radiowych serii BF jest podobna jak tranzystorów małej częstotliwości serii BC ale mają one mniejszą powierzchnie chipa i dużo mniejsze pojemności. Co ciekawe w ZSRR nie opanowano technologi tranzystorów o małej pojemności co skutkuje bardziej złożonym rozwiązaniami z gorszymi tranzystorami.

W USA opracowano system telewizji kolorowej NTSC, w Niemczech Zachodnich system PAL a we Francji Secam który w zmodyfikowanej wersji przyjęto też w krajach RWPG. Do czarno białego sygnału luminancji dodano sygnały różnicowe kolorów.

Nadajniki telewizji kolorowej muszą być o wiele bardziej liniowe niż dla telewizji czarno – białej i ich konstrukcja jest znacznie trudniejsza. Prosty diodowy demodulator sygnału telewizyjnego VSB ( Vestigal Side Band czyli o częściowo stłumionej wstędze bocznej, standard modulacji – demodulacji VSB w telewizji jest przyjęty w całym świecie ) jest nieliniowy. Wszelkie nieliniowości powodują w systemie TVC prześwity kolorowe i fałszowanie kolorów. Obniżają one jakość odbioru obrazu.

Drugim problemem okazała się nieliniowa faza filtrów LC toru częstotliwości pośredniej IF TVC powodująca niespójność czasową sygnałów luminacji i kolorów. Korektor opóźnienia grupowego stosował kolejne filtry LC. Cały filtr LC z korektorem jest skomplikowany i za mało stabilny długoczasowo.

Scalony wzmacniacz częstotliwości pośredniej fonii z demodulatorem koincydencyjnym TBA120 wypuszczono w 1969 roku. Pojawiły się filtry ceramiczne dla telewizyjnego dźwięku FM. Znakomicie komponują się z układem scalonym TBA 120 i późniejszymi układami scalonymi.

W pierwszej połowie lat siedemdziesiątych opracowano scalone wzmacniacze dla IF TVC jak TDA440 i podobne. Demodulator koincydencyjny daje znacznie mniejsze zniekształcenia demodulacji sygnału VSB niż detektor diodowy. Poprawiła się jakość obrazu i dźwięku. Cały skupiony filtr IF z elementami LC realizowany jest przed układem TDA440. Cewki filtru wykonywano jako także jako „drukowane” na płycie drukowanej.

Temat stabilnego (destabilizująca pojemność zwrotna Cbc) tranzystorowego wzmacniacza z międzystopniowymi filtrami pasmowymi LC będącymi jednocześnie dopasowaniem impedancji wyjścia do wejścia tranzystora przestał istnieć bowiem w układach TBA120 i TDA 440 zastosowano wzmacniacze szerokopasmowe.

Filtrem ceramicznym nie daje się uzyskać pożądanej charakterystyki częstotliwościowej dla wzmacniacza IF do TVC. Przyszłością są prawdopodobnie filtry z falą powierzchniową SAW ( Surface Acoustic Wave) wykonywane technologią fotolitograficzną podobnie jak układy scalone.

Tranzystorowe wzmacniacze selektywne w RTVC będą stosowane tylko w głowicach.

Scalone mieszacze zrównoważone w układzie mnożącym Gilberta są jako radiowy mieszacz znacznie bardziej liniowe niż tranzystor. W głowicach UKF stosowane są układy scalone SO42 i TDA1062. Istnieją eksperymentalne liniowe układy mieszaczy – generatorów na telewizyjny zakres UHF.

O co tyle hałasu z tą liniowością ?

W USA telekomunikacja stała się ogromnym interesem co wcześniej wizjonerzy przewidzieli. W okresie wojny oddawano do użytku systemy telefonii nośnej pokrywające całe, ogromne Stany Zjednoczone. Udane systemy telefonii nośnej produkowano też w III Rzeszy. Pojemności ich liczone w kanałach telefonicznych cały czas zwiększano z uwagi na ogromy popyt na usługi telefoniczne, teleksowe i inne.

System telefonii nośnej L5 opracowany przez Bell Laboratories koncernu AT&T stosuje kabel koncentryczny o średnicy 3/8 cala czyli 9.5 mm. Ma pojemność 10 800 kanałów telefonicznych. Wzmacniaki zasilane z linii ( repeater czyli powtarzacz niezbyt dobrze oddaje istotę rzeczy ) umieszczone są co mile a co 75 mil są stacje wzmacniające wymagające zasilania z sieci energetycznej.

Obiekty te mają taką wagę dla funkcjonowania struktur państwa i infrastruktury że muszą przeżyć uderzenie jądrowe.

Dopuszczalny poziom intermodulacji wprowadzony przez każdy wzmacniacz jest strasznie niski i wynosi -90 db ! Wymagania te są bardzo trudne do spełnienia.

Dla minimalizacji szkodliwych odbić od linii na wejściu i na wyjściu wzmacniacze pracują z szeregowym i równoległym sprzężeniem zwrotnym zapewniającym dobre dopasowanie do impedancji falowej kabla koncentrycznego. Sprzężenia zwrotne podnoszą niestety poziom szumów ale dają płaską charakterystykę wzmocnienia i kontrolowane impedancje wejściową i wyjściową.

Sprawę zniekształceń nieliniowych / intermodulacji zaczęto właśnie badać przed wojną w czasie szerokich prac badawczych nad telefonią nośną. Na jej potrzeby wyprodukowano specjalne lampy elektronowe.

Intermodulacje powstają m.in. w stopniu wzmacniacza częstotliwości radiowej ( Radio Frequency - dalej RF ) i w mieszaczu. Wymagania na liniowość są tym większe im więcej jest stacji na zakresie i im bardziej zróżnicowany jest poziom odbieranych sygnałów. Selektywność filtrów LC wzmacniacza RF głowicy nie jest duża i „zakłócenia” czyli inne stacje niż stacja odbierana nie są mocno tłumione.

W USA funkcjonują płatne sieci telewizji kablowej oferujące dużo programów a w tym całkiem nowych filmów.

Wyjaśniło się zatem do czego potrzebne są liniowe głowice odbiorników TVC.

W świecie zachodnim prywatne stacje radiowe i telewizyjne muszą wykupić od rządu pozwolenie używania przydzielonej im fali radiowej lub telewizyjnej. Ilość fal jest ograniczona i anarchia w ich użyciu jest wykluczona.

Niemniej z liniowymi odbiornikami odpornymi na intermodulacje „fal” radiowych możliwych do użycia jest dużo. W przypadku sieci telewizji kablowej żadna umowa i pozwolenie emisyjne nie jest potrzebne bowiem sieć niczego w przestrzeń nie emituje. Stąd atrakcyjność tej płatnej formy rozpowszechniania programów.

Organizacje międzynarodowe przydzielają nadawcom ( państwa są niejako pośrednikami ) fale tak aby minimalizować wzajemne zakłócenia się stacji na całym kontynencie.

Prawo międzynarodowe zabrania działalności radiostacji dywersyjnych i radiostacji zakłócających inne radiostacje. Z tego punktu widzenia działalność na terenie RFN finansowanej przez USA stacji Wolna Europa, którą opiekuje się CIA i stacji ZSRR i innych z naszego bloku ją zagłuszających jest czystym bezprawiem ale w gruncie rzeczy supermocarstwa nie podlegają żadnym prawom międzynarodowym. Liczy się tylko siła. Niemniej do agresji potrzebny jest pretekst. Pretekstem do niemieckiego najazdu na Polskę był rzekomy atak Polski na radiostację Gliwicką.

Działalność radiostacji dywersyjnych jest niestety dowodem na to że Zimna Wojna trwa i może niestety przerodzić się w gorącą wojnę, do której wojna propagandowa jest tylko przygrywką

Telekomunikacja jest bardzo potrzebna sprawnej gospodarce i społeczeństwu. Zaniedbania w dziedzinie telekomunikacji strasznie zemściły się na Związku Radzieckim po napadzie Niemiec. Wojska niemieckie miały dobrą telekomunikacje a wojska radzieckie miały bardzo słabą komunikacje. W czasie wojny głównie USA w ramach programu Lend Lease dostarczyły ZSRR 89% całości sprzętu radiowego ! ZSRR już przed wojną kupił licencje na lampy elektronowe od potężnego koncernu RCA i produkował odpowiedniki amerykańskich lamp ale radiokomunikacja w Niemczech rozwijała się bardzo szybko.

Częstotliwość graniczna Ft tranzystora bipolarnego rośnie wraz z napięciem Uce osiągając dla każdego Uce maksimum przy podanym na katalogowym wykresie prądzie kolektora.

Przy napięciu Uce powyżej 10V prąd dla maksymalnej Ft zmienia się niewiele w funkcji napięcia Uce.

Tranzystor BC237 przy Uce=5V i Ic=1mA ma częstotliwość graniczną Ft=100 MHz a maksymalną częstotliwość Ft=250 MHz osiąga przy prądzie Ic=20mA.

Dla konfiguracji wzmacniacza szerokopasmowego istnieje współczynnik wykorzystania Ft tranzystora jako iloczyn pasma i wzmocnienia BW. Im BW jest bliżej Ft tym lepsza jest konfiguracja wzmacniacza. Dobre a nawet bardzo dobre BW osiągają tak zwane dwójki ze sprzężeniami zwrotnymi.

Jednak tranzystor musi pracować z odpowiednim prądem kolektora aby miał dużą częstotliwość Ft.

„Radiowy” tranzystor BF240 o mniejszej powierzchni niż typy BC maksymalną Ft ma już przy prądzie Ic=5mA a spore częstotliwości Ft ma już przy prądzie poniżej 1 mA.

Scalone tranzystory mogą być małe i osiągać duże Ft przy małym prądzie kolektora. Zatem układy mogą pobierać niewiele mocy.

Technologią planarną tranzystory produkuje się podobnie jak układy scalone. W USA pierwsze układy scalone pojawiły się niedługo po tranzystorach planarnych. Para różnicowa tranzystorów jest znana od pierwszych lat pięćdziesiątych. IBM w układach logicznych pary różnicowe opatentował w 1956 roku i niedługo zastosował w swoich komputerach. Pierwszą ubogą serie układów ECL Motorola pod nazwą MECL I wypuściła w 1962 roku, serie II w 1966 a najszybszą ale niezbyt nieudaną serie III w 1968 roku. Częstotliwość Ft tranzystorów w serii II wynosiła około 500 MHz podobnie jak w układach TTL. Tranzystory w logice ECL nie są nasycane i stąd logika ECL z braku czasu wyjścia tranzystorów z nasycenia jest najszybsza. Podstawową jednostką konstrukcyjną w technologi ECL jest para różnicowa i wtórnik emiterowy. W układach skali scalenia MSI stosowane są różnorodne wewnętrzne rozwiązania celem minimalizacji ilości użytych tranzystorów , przyśpieszenia działania i obniżenia pobieranej mocy.

W małej serii 16XX w technologi ECL produkowane są przestrajane generatory LC i RC, najszybsze komparatory, proste przerzutniki, kilka bramek i bardzo szybkie dzielniki do układów syntezy częstotliwości. Motorola produkuje syntezery PLL w technologii CMOS ale ich częstotliwość maksymalna nie przekracza 10 MHz i potrzebne są dla większych częstotliwości dodatkowe dzielniki. Można się domyślać że Ft tranzystorów w tej serii zwykłych, komercyjnych układów 16XX jest circa 4-5 GHz. Częstotliwość scalonych tranzystorów rośnie wraz z rozdzielczością procesu fotolitografii i za dekadę Ft może dojść do 20-30 GHz.

Dla materiałów półprzewodnikowych charakterystyczny jest iloczyn Ft x Uceo. Gigaherzowe tranzystory będą miały oczywiście małe napięcie Uceo.

Rezystor emiterowy Re lokalnego szeregowego ujemnego sprzężenia zwrotnego tranzystora rozszerza pasmo stałej transkonduktancji tranzystora wzmacniacza w konfiguracji WE z tym rezystorem. Rezystor ten linearyzuje wzmacniacz oraz zwiększa też impedancje wejściową i wyjściową tranzystora. Pojemność Cbc czyli z wyjścia na wejście znacznie spada przy zastosowaniu kaskody WE-WB oraz równoważna pojemność w stopniu różnicowym asymetrycznym dla składowej zmiennej gdy wejściem jest baza tranzystora 1 a wyjściem tylko kolektor tranzystora 2. Dla prądu zmiennego pierwszy tranzystor pary różnicowej pracuje jako wtórnik emiterowy we Wspólnym Kolektorze WK a drugi tranzystor pracuje we Wspólnej Bazie WB.
Wtórnik Emiterowy skutecznie zmniejsza obciążenia i jest tez pożądanym przesuwnikiem napięcia stałego. Gdy potrzebne jest większe przesunięcie napięcia stałego daje się kaskadę dwóch wtórników emiterowych. Wtórnik emiterowy w zakresie częstotliwości gdy już spada wzmocnienie prądowe tranzystora staje się inwerterem impedancji i przy małej pojemności na wyjściu ma ujemną oporność na wejściu co skutkuje nawet przerzutami odpowiedzi czasowej ale też poszerzeniem płaskiej charakterystyki częstotliwościowej. Wtórnik emiterowy pracuje ze 100 % lokalnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Analizy pracy wtórnika emiterowego są dostępne w literaturze.

Wtórniki są jednocześnie w układach scalonych potrzebnymi przesuwnikami poziomu napięcia stałego.

Na licencji RCA produkowany jest przez Cemi przestarzały układ wzmacniacza pośredniej częstotliwości IF FM dźwięku UL1201. Zastosowano w nim dwie opisane konfiguracje stopni różnicowych asymetrycznych dla składowej zmiennej AC. W pierwszym stopniu wejściem jest pin 8 a pin 12 jest zablokowany zewnętrznym kondensatorem do masy. Za rezystorem kolektorowym pierwszej pary różnicowej dano wtórnik emiterowy. Aby tranzystory miały w punkcie pracy znaczną częstotliwość Ft pracują z prądem circa Ic=0.5mA. Przy wyjściowym obciążeniu obwodem LC o Zl=2K cały wzmacniacz ma przy częstotliwości IF FM 10.7 MHz wzmocnienie 61 dB.

Układ jest ewidentnie niekompletny i mało przydatny bowiem wymaga na wyjściu dwóch strojonych obwodów LC detektora stosunkowego z wieloma elementami. Zatem brakuje demodulatora kwadraturowego !

Oczywiście w kolejnych układach ( także National Semiconductor ) jest dołożony do wzmacniacza demodulator kwadraturowy !

Nawet pojedynczego zewnętrznego strojonego obwodu LC demodulatora koincydencyjnego FM lub AM można się teoretycznie pozbyć stosując prosty układ pętli PLL z przestrajanym generatorem RC. Autor wypróbował takie wymyślone rozwiązanie z symetrycznym generatorem dwu-tranzystorowym z kondensatorem C w obwodzie emiterów do demodulatora dźwięku FM. Niestety poziom szumów jest dużo za wysoki i rozwiązanie jest niedostateczne i wymaga znacznego udoskonalenia. „Nie od razy Kraków zbudowano”

W katalogów producentów są szczegółowe schematy układów o złożoności do około 50-70 tranzystorów. Później są tylko schematy blokowe. Ale znając generalną kompozycje można sporządzić schemat ideowy i wypróbować działanie modelu z elementami dyskretnymi.

Scalone wzmacniacze częstotliwości pośredniej wizji IF TVC z demodulatorem koincydencyjnym oraz z regulacją wzmocnienia AGC ( ARW) mają płaskie pasmo wzmocnienia IF przekraczające 50 MHz.

W układzie TDA440 pierwsze dwa (regulowane diodami jako opornikami szeregowego sprzężenia zwrotnego Re ) stopnie są symetryczną parą różnicowa z symetrycznymi wtórnikami emiterowymi na wejściu i na wyjściu pary różnicowej. Trzeci stopień z wtórnikiem na wyjściu ma stałe rezystory emiterowe Re polepszające liniowość i pasmo.

Zauważyć należy że układ TDA440 jest ewidentnie niekompletny nie mając kwadraturowego detektora częstotliwości do podstrajania ARCz. Pin do regulacji poziomu bieli jest do zwolnienia bo funkcja ta nie jest efektywnie wykorzystywana. Mimo tego musiałaby być zastosowana większa ilość pinów obudowy.

Funkcjonalność układów cyfrowych rośnie dużo szybciej niż ilość pinów ich obudowy. Szczególnie jest tak z pamięciami ROM i RAM. Prawidłowość ta jest słabsza w układach analogowych ale też występuje choćby w poczwórnym wzmacniaczu operacyjnym w obudowie DIP14.

Większy układ mogłyby mieć dodatkowo wzmacniacz z demodulatorem pośredniej częstotliwości fonii FM i/lub układ synchronizacji odchylania poziomego i pionowego dający dodatkowo logiczny sygnał potwierdzający odbiór stacji telewizyjnej.

Programator stacji z potencjometrami na 4-8 kanałów jest prymitywny a stacji może być więcej.

Samochodowy odbiornik Akropol ma proste automatyczne szukanie stacji. Po naciśnięciu przycisku płynnie powiększa napięcie strojące podane do diod pojemnościowych aż pojawi się sygnał czyli kolejna stacja. Kierowca jest zajęty i jest to rozwiązanie wygodne zwłaszcza że samochód w podróży wychodzi z zasięgu jednych stacji i wchodzi w zakres innych stacji. Finalne dostrojenie stacji FM i AM zapewnia system ARCz. Automatyczna detekcja odbioru stacji telewizyjnej przez odbiornik TV jest bardziej skomplikowana. Obecność jakiegokolwiek sygnału potwierdza zadziałanie ARW ( powstaje problem akceptowalnej wielkości sygnału aby nie dostroić się do „śmiecia” ale też z drugiej strony nie pominąć użytecznego sygnału TV ) a dodatkowo zsynchronizowanie się pętli PLL częstotliwości odchylania poziomego byłoby dowodem na to że jest to sygnał telewizyjny.

Mikrokontroler to scalony prosty mikroprocesor z niewielkimi pamięciami programu ROM i danych RAM, portami, licznikami. Mikrokontroler 4 lub 8 bitowy znakomicie nadaje się do automatycznego nastrojenia się odbiornika TVC ( i zapamiętania stacji) i współpracy z pilotem zdalnego sterowania ! W Polsce są tylko dwa programy TV i można na terenach przygranicznych odbierać stacje sąsiednich państw. Ale ilość stacji może wzrosnąć zwłaszcza w systemach telewizji kablowej.

Para różnicowa jest podstawą budowy wszelkich liniowych ( to znaczy nie cyfrowych ) układów scalonych.

Z dużym wyprzedzeniem, jedynie dla ilustracji stosowania rozszerzającego pasmo stałej transkonduktancji tranzystora rezystora emiterowego Re szeregowego ujemnego lokalnego sprzężenia zwrotnego, wtórnika emiterowego i symetrycznej kaskody WE-WB pokazano schemat wewnętrzny szerokopasmowego wzmacniacza operacyjnego Fairchild uA715 z 1968 roku o paśmie bez kompensacji częstotliwościowej i sprzężenia zwrotnego aż 65 MHz ! Niestety z konieczną kompensacją częstotliwościową użyteczne pasmo jest dużo węższe.

Wejściowa para różnicowa Q3,Q4 z rezystorami emiterowymi R11, R12 ma na wejściu poprzedzające wtórniki emiterowe Q1,Q2 jak w układzie Darlingtona. Para pracuje w kaskodzie z tranzystorami Q16, Q17 na wyjściowe rezystory R3, R4.

Aby tranzystory w punkcie pracy miały dużą częstotliwość Ft tranzystory pary różnicowej pracują z prądem aż 350 uA co na wzmacniacz operacyjny jest wartością ogromną. Nawet wejściowe wtórniki pracują z prądem 70uA co skutkuje prądem polaryzacji wejść aż 400 nA.

Zauważmy że w tym układzie scalonym zbieżne rozwiązanie znalazły dawniej zupełnie osobne tematy – powolnego wzmacniacza operacyjnego, wzmacniacza szerokopasmowego i takiego wzmacniacza zastępującego wzmacniacz z selektywnych tranzystorowych stopni z filtrami LC !

Kompensacja częstotliwościowa układu wymaga aż 3 zewnętrznych kondensatorów.

Zauważyć należy że wejściowe napięcie niezrównoważenia powstaje też z różnicy wartości dwóch rezystorów 25K ! Muszą być one identyczne podobnie jak rezystory kolektorowe stopni różnicowych. Układ jest przestarzały.

W Data Sheet producenta podano przykładowe schematy zastosowania układu uA715:

-Wzmacniacz sygnału Video z wyjściowym buforem tranzystorowym na większy prąd obciążenia

-Wzmacniacz wyjściowy szybkiego 10 bitowego przetwornika D/A

-Szybki układ Sample / Hold czyli Próbkująco / Pamietający

-Szybki integrator

W nowszym szybkim wzmacniaczu LM118 sygnały o dużych częstotliwościach z wyjścia szybkiego stopnia wejściowego z tranzystorami NPN omijają środkowy wolny stopień z tranzystorami PNP kondensatorkiem monolitycznym wprost do wejścia szybkiego stopnia napięciowego z tranzystorami NPN.

Zwróćmy uwagę że w konfiguracji odwracającej drogi układ LM118 jest niewiele lepszy od popularnego układu LM101 z kompensacją feedforward czyli ze sprzężeniem wprzód. Tu również szybki sygnał ( ale z wejścia wzmacniacza ) wprost do stopnia napięciowego przechodzi kondensatorkiem. Sytuacja jest niemal identyczna.

Szybki wzmacniacz operacyjny o bardzo dobrych parametrach stałoprądowych musi mieć niestety pełnowartościowe częstotliwościowo tranzystory PNP

Działalność człowieka cechuje budowa coraz bardziej skomplikowanych maszyn, urządzeń i systemów. Idea wzmacniacza operacyjnego jako modułu w komputerze analogowym powstała tuż przed wojną. Współcześnie wzmacniacz operacyjny to „standardowa cegła w budowanym murze”.

We wczesnych latach pięćdziesiątych produkowano moduł lampowego wzmacniacza operacyjnego na dwóch podwójnych triodach.

Później produkowano też modułowe wzmacniacze operacyjne z normalnymi dyskretnymi tranzystorami bipolarnymi i tranzystorami polowymi JFet. Pionierski monolityczny wzmacniacz operacyjny uA702 pojawił się na rynku z 1963 roku w szokująco wysokiej cenie 200 ówczesnych dolarów. Ma jedynie 9 tranzystorów NPN. Zastosowano w nim tylko tranzystory NPN co skutkowało bardzo wąskim zakresem wejściowych napięć wspólnych i małym zakresem napięcia wyjściowego przy słabiutkiej obciążalności wyjścia .Choć układ miał małe napięcie niezrównoważenia i jego dryft to miał duży prąd polaryzacji wejść i jego dryft. Z kompensacją tylko wyprzedzającą przy wzmocnieniu większym od ca 100 mógł być stosowany we wzmacniaczach Video m.in. w kamerach i radarach.

Od początku historii wzmacniacza operacyjnego najważniejsza w nim jest dla dokładności stałoprądowej para różnicowa tranzystorów ( wcześniej para różnicowa triod ) i źródła prądowe a niedługo lustro prądowe zamieniające symetryczny sygnał wyjściowy z pary różnicowej w sygnał asymetryczny do stopnia napięciowego. Para różnicowa jest podstawowym rozwiązaniem we wszystkich bipolarnych scalonych układach analogowych, także do zastosowań RTV i przemysłowych. Jest podstawą budowy szybkich układów logicznych ECL. Tam gdzie sygnał wspólny jest niezmienny prąd zasilający emitery parze różnicowej może dostarczać także opornik.

Generalnie uniwersalny i łatwy w stosowaniu wzmacniacz operacyjny o dobrych parametrach stałoprądowych można stworzyć tylko z udziałem tranzystorów NPN i PNP lub P-JFet lub P-Mosfet. Monolityczny tranzystor NPN o napięciu Uceo ca 50V ( wzmacniacz można bezpiecznie zasilać napięciem +-15V) ma częstotliwość graniczną Ft w granicach 300-500 MHz i dobre wzmocnienie prądowe. Boczny monolityczny tranzystor PNP ma bardzo małą częstotliwość Ft na poziomie zaledwie kilku MHz. Dla odmiany dyskretny tranzystor PNP ma parametry zbliżone do tranzystora NPN z jego komplementarnej pary. Komplementarne do tranzystorów NPN BC237-239 są typy PNP BC307-309. To jest zasadnicza różnica miedzy scalonym wzmacniaczem operacyjnym ze "słabymi" tranzystorami PNP a układem wykonanym na elementach dyskretnych gdzie sygnałowy tranzystor PNP jest pełnowartościowy. Produkcje krzemowych tranzystorów PNP uruchomiono później niż tranzystorów NPN i początkowo były one droższe.

Wzmacniacze operacyjne w których sygnał w pełnym paśmie przechodzi przez różnicową parę tranzystorów PNP lub pojedynczy taki tranzystor ma w układzie wtórnika częstotliwość graniczną mniejsza od 1 MHz. Opracowano układy w których sygnał o znacznej częstotliwości z wejścia pary PNP podano kondensatorem na jej wyjście. Tak zbudowano szybki wzmacniacz operacyjny LM318. Wczesny szybki układ operacyjny uA715 nie miał w torze sygnałowym tranzystorów PNP. Miał zewnętrzną wieloelementową kompensacje częstotliwościową i słabe parametry stałoprądowe. Tranzystora PNP i tak użyto w wyjściowym komplementarnym wtórniku emiterowym ale jest on tam bardziej diodą niż tranzystorem. Jest to tranzystor podłożowy a nie boczny. Układ operacyjny LM 301 można użyć w konfiguracji odwracającej ze sprzężeniem feedforwad czyli w przód gdzie użyto tej samej idei co w układzie LM318 to znaczy sygnał dużej częstotliwości przechodzi równolegle do pary PNP kondensatorkiem. Układ LM301 z kompensacja feedfoward jest zdumiewająco szybki !

Kłopotliwą w kompensacji częstotliwościowej konfiguracje trzystopniową szybko porzucono na rzecz konfiguracji - para różnicowa, stopień napięciowy z kompensacją Millera i wyjściowy wtórnik komplementarny.

Układy operacyjne LF155-157 gdzie w wejściowej parze różnicowej zastosowano tranzystory P-JFet a w torze sygnałowym nie ma tranzystorów bipolarnych PNP są szybkie i małoszumne. Wyjściowy "wtórnik" z tranzystorem P-Jet ma niestabilny prąd spoczynkowy co jest niebezpieczne i układ wymaga dopracowania. Wejściową parę różnicową JFet mają układy TL081 oraz podwójne TL082 i poczwórne TL084. Układy standardowych bipolarnych wzmacniaczy operacyjnych w większości nie nadają się do zastosowań Audio z powodu zbyt małej maksymalnej szybkości narastania napięcia wyjściowego Slew Rate będącej pochodną słabych parametrów tranzystora PNP. Układy JFet mogą być stosowane bowiem mają wystarczającą szybkość narastania sygnału na wyjściu.

Efekt Earlyego ogranicza wzmocnienie napięciowe stopnia napięciowego i stosowany jest układ Darlingtona lub podobny do Darlingtona.

Charakterystyczna dla każdego układu operacyjnego jest wrażliwość na obciążenie pojemnościowe powodujące spory przerzut sygnału i znaczne powiększenie czasu ustalania się wzmacniacza a nawet destabilizacje. Im układ jest mocniej skompensowany częstotliwościowo tym lepiej toleruje obciążenia pojemnościowe ale nadmierna kompensacja pogarsza własności dynamiczne układu. Co ciekawe początkowo ze wzrostem pojemności obciążenia przerzut rośnie a potem zaczyna maleć pod warunkiem wszakże że nie dojdzie do wzbudzenia układu. Jest zatem pojemność obciążenia przy której przerzut jest największy.

Wtórnik emiterowy od częstotliwości przy której zaczyna maleć wzmocnienie prądowe tranzystora jest inwerterem impedancji. Przy obciążeniu wtórnika rezystancją na wejściu jest on pojemnościowy zaś przy obciążeniu pojemnością ma ujemną (!) oporność na wejściu z czym musi sobie radzić skompensowany stopień napięciowy. Jeszcze trudniejsza jest sytuacja z kaskadą wtórników emiterowych stosowaną we wzmacniaczach mocy ale w standardowych wzmacniaczach operacyjnych kaskada wtórników nie jest stosowana z uwagi na niewielki prąd wyjściowy wzmacniacza operacyjnego.

Tranzystory wyjściowego wtórnika są na tyle powierzchniowo małe że w zasadzie nie występuje w nich II przebicie i prosta ochrona nadprądowa jest wystarczająca. Ponieważ tranzystor chroniący tranzystor wyjściowego wtórnika jest sprzężony z nim cieplnie to awaryjnie ograniczony prąd spada wraz z temperaturą tak jak napięcie Ube tranzystora wraz z temperaturą co jest korzystne z punktu widzenia ochrony wzmacniacza operacyjnego przed zwarciem wyjścia. Generalnie wzmacniacza operacyjnego nie należy obciążać prądem większym od paru mA bowiem powoduje to m.in. wzrost dryftu wejścia i spadek niezawodności i żywotności układu. Gdy sygnał wyjściowy ma być przesłany kablem ( "obciążenie pojemnościowe" ) należy go dopasować szeregowo rezystorem circa 68-100 Ohm lub równoległym rezystorem i indukcyjnością perełki ferrytowej (ona sama ma już pożądaną dużą stratność ) gdy sterowanie ma być niskoimpedancyjne. Pamiętać należy o tym że pojemność kabla oscyloskopu obciążająca wyjście wzmacniacza operacyjnego działa destabilizująco i konieczne jest użycie sondy z dzielnikiem 1:10 lub sondy aktywnej o małej pojemności wejściowej.

W konwencji uproszczonego wzmacniacza operacyjnego zbudowane są układy scalone uA739, TBA231, TBA931, TCA250, TCA490... Dedykowano je do przedwzmacniaczy akustycznych ale rozwiązanie z nimi jest droższe i gorsze niż dyskretnymi tranzystorami ! N.B Zupełnym niewypałem jest układ dla przedwzmacniacza Cemi - UL1321 produkowany na licencji Sanyo.

Scalone wzmacniacze akustyczne mocy niskiej jakości produkowane są głównie dla zasilania asymetrycznego. Jednym z pierwszych układów wysokiej jakości zbudowanych w konwencji wzmacniacza operacyjnego mocy jest układ TDA2020 włoskiej firmy Ates. Nieszczęśliwie umieszczono go w obudowie DIL14 z metalową wstawką na górnej powierzchni dla radiatora. To sprawdzone rozwiązanie nie nadaje się do większego poziomu mocy strat jak w układzie TDA2020. Przy stabilizowanym napięciu zasilania ( czyli z zasilacza impulsowego ) z układu TDA2020 można wycisnąć 20W mocy wyjściowej a więc sporo co stwarza duże możliwości zastosowania. W praktyce ze zwykłym niestabilizowanym zasilaczem sieciowym otrzymamy trochę ponad 10 -12W zależnie od sztywności transformatora sieciowego i pojemności kondensatorów prostownika.

Tranzystory mocy w układach scalonych są wyłącznie typu NPN. Poziom zniekształceń nieliniowych scalonych wzmacniaczy wynika z nieliniowości tranzystorów mocy i marnych parametrów tranzystorów PNP zawężających pasmo wzmacniacza objętego sprzężeniem zwrotnym. Wejściowa para różnicowa ( ale każdy inny układ jeszcze bardziej jest wrażliwy ) jest poddana działaniu strumienia ciepła emitowanego przez tranzystory mocy układu. Powoduje to wzrost zniekształceń nieliniowych przy małych częstotliwościach. Zaradzić można temu umieszczając parę różnicową jak najdalej i jak najbardziej symetrycznie od zmiennego źródła ciepła i "przeplatając" na powierzchni tranzystory różnicowej pary wejściowej. Problem jest zatem możliwy do rozwiązania.

Koszt produkcji struktury układu scalonego zależy od jego powierzchni, rodzaju użytego procesu ( zwłaszcza ilości masek i procesów fotolitograficznych ) i rozdzielczości procesu fotolitograficznego. Najmniejszej ilości masek i czynności w procesie produkcyjnym wymaga proces PMOS. Jak powiedziano tani standardowy proces bipolarny daje nędzne tranzystory typu PNP. Ale znany jest bardziej skomplikowany proces dający znacznie lepsze tranzystory PNP. Nie są co prawda równoważne typowi NPN ale nie stanowią już tak dramatycznego problemu. Proces jest bardziej skomplikowany czyli droższy i daje mniejszy uzysk produkcyjny. Zatem układ scalony jest istotnie droższy co ogranicza ilość potencjalnych nabywców.

Cemi produkuje na licencji RCA lub tylko opakowuje układ 5 monolitycznych tranzystorów NPN a w tym parę różnicową UL1111 = CA3046. Gwarantowane napięcie Uceo wynosi 15V ale w praktyce przekracza 22 V. Prąd Ic = 50 mA. Jest to zatem monolityczny tranzystor sporych rozmiarów. Pojemność Cbc wynosi 0.6 pF ale pojemność kolektora do podłoża wynosi 2.8 pF.

Najmniejsze typowe napięcie niezrównoważenia circa 0.4 mV para różnicowa ma w zakresie prądów kolektora 0.03-0.3 mA. Maksymalną częstotliwość Ft=560 MHz tranzystory osiągają przy prądzie ca 4 mA ale nawet przy prądzie 0.5 mA Ft dochodzi do 400 MHz. Szumy są dość wysokie podobnie jak częstotliwość podwojenia szumów typu 1/F co świadczy o raczej słabej technologii.

Częstotliwość graniczna tranzystora Ft wynosi około 8/E gdzie E to szerokość emitera. W układzie CA3046 wynosi ona około 12 um i stąd wynika Ft.

Wraz z polepszeniem rozdzielczości procesu monolitycznego wzrośnie Ft a dla małych powierzchni tranzystorów bardzo mocno spadną pojemności złącz i przede wszystkim pojemności do podłoża.

Wzmacniacze operacyjne na lampach elektronowych miały bardzo duże napięcie niezrównoważenia i jego dryft. Goldberg wynalazł wzmacniacz z przetwarzaniem sygnału w 1949 roku. Mechaniczny wibrator modulował sygnał wejściowy DC i demodulował sygnał AC na wyjściu wzmacniacza sygnału zmiennego AC.

Wzmacniacz z przetwarzaniem wprowadza intermodulacje i ma niemały prąd szumów na wejściu. Nie za bardzo nadaje się do scalenia.

Czterocyfrowy woltomierz na zakresie 100mV musi mieć niezrównoważenie zera mniejsze od 10 uV ( jedna cyfra ) co osiąga się wzmacniaczem z przetwarzaniem. Ale też niezrównoważenie od czasu do czasu likwiduje się potencjometrem. Układ jest skomplikowany a woltomierz drogi.

Układ „precyzyjnego” wzmacniacza uA725 ma dryft napięcia niezrównoważenia do 2uV/C ale po zrównoważeniu – wyzerowaniu offset spada on do circa 0.5uV/C. Jakie są granice dryftu napięciowego wzmacniacza.

Skupmy wpierw uwagę na wzmacniaczu różnicowym z rezystorami kolektorowymi. 1mV wejściowego napięcia niezrównoważenia daje dryft 3.3 uV/C. Niezrównoważenie wynika z nieidentyczności powierzchni tranzystorów i oporności rezystorów kolektorowych. Zrównoważenie wejścia można uzyskać regulacją stosunku rezystorów kolektorowych. Ale przy zrównoważeniu odrobinę różne są prądy tranzystorów pary czyli też prądy wejściowe i ich offset oraz dryft. Odchyłki wartości rezystorów dadzą też dryft drugiego stopnia.

Jak najmniejsze różnice między tranzystorami osiągniemy stosując dobrą technologie o dużej rozdzielczości oraz duże powierzchnie tranzystorów. Ale przy mniejszej gęstości prądu spadnie ich wzmocnienie i Ft. Aby poradzić sobie ze zwiększoną pojemnością wyjściową trzeba zastosować konfiguracje kaskodową. Jak widać istnieją różne ograniczenia.

Gradient temperatury w strukturze pary różnicowej daje potężny dryft. Stąd tranzystory pary różnicowej muszą być wzajemnie przeplecione a strumień ciepła zwłaszcza duży z wtórnika wyjściowego musi być symetryczny.

Niezrównoważenie i dryft daje też drugi stopień. Niemniej możliwa jest konstrukcja o wiele lepszych wzmacniaczy niż uA725. Prąd wejściowy można zredukować stosując tranzystory Super Beta jak w układzie LM108 i pochodnych.

Zmorą są szumy typu 1/F wynikające z wady sieci krystalicznej krzemu. Ten szum dla bardzo małych częstotliwości może być nawet większy niż dryft cieplny napięcia niezrównoważenia. Ratunkiem jest lepsza technologia. Częstotliwość przy której ten szum 1/F podwaja całkowity szum maleje od lat. I będzie dalej malała.

Sygnał z sensorów jest podany do układu regulacji lub pokazany obsłudze miernikiem analogowym lub cyfrowym. Dokładność miernika wskazówkowego jest niewielka. Odczyt jest czasochłonny i obsługa może szybko jedynie stwierdzić że wskazówka jest tam gdzie powinna być co może być oznaczone paskiem czy kreską.

Firma Intersil wypuściła przełomowy jednoukładowy 3.5 cyfrowy ( zakres -1999...1999 ze stabilnym zerem ) miernik z przetwornikiem A/D z podwójnym całkowaniem w technologi CMOS w obudowie DIL40. Układ zasilany z bateryjki 9V pobiera niewiele prądu i wprost steruje wyświetlacz LCD Cyfrowy multimetr z tym układem mieści się w dłoni co stwarza możliwość ogromnej popularyzacji i wielkiej produkcji.

Tranzystory Mosfet mają bardzo duże szumy typu 1/F a wzmacniacze z nimi mają duże napięcie niezrównoważenia. W układzie zastosowano więc autozerowanie !

Trzy użyte wzmacniacze ( bufor, integrator i bufor napięcia odniesienia ) operacyjne są dość proste. Stopnie wyjściowe wzmacniaczy pracują w klasie A. Układ jest kompletny i ma też wewnętrzne napięcie odniesienia.

Układ może też wprost mierzyć oporność. Może też różnicowo mierzyć wprost napięcie wyjściowe z mostka z sensorami temperatury PT100 lub innymi ! Sensorem temperatury może być też dioda lub tranzystor. Układ załatwia cały łańcuch przetwarzania od elementarnego sensora bez kondycjonera do wzroku (+ wyświetlacz) człowieka.

Identyczną cześć analogową ma układ 12 bitowy ICL7109 ( plus znak czyli faktycznie 13 bitowy ) ale z interfejsem do mikroprocesora a nie do wyświetlacza LCD.

Taką funkcjonalność wcześniej Intersil uzyskiwał dwoma układami scalonymi. Póki co rozdzielczość 4.5 cyfrową Intersil uzyskuje stosując rozwiązanie z dwoma układami scalonymi. Bipolarny układ analogowy ICL8068 zawiera trzy wzmacniacze i napięcie odniesienia. Wejściowe napięcie szumów wynosi 2 uVpp. Układ cyfrowy ICL7103 jest w technologi CMOS. Ale kwestią paru lat będzie jeden układ 4.5 cyfrowy. Pozostaje pytanie czy taka dokładność do ręcznego multimetru jest w ogóle potrzebna. O ile precyzyjne dzielniki wejściowe do miernika 3.5 cyfrowego nie mają zaporowej ceny to do miernika 4.5 cyfrowego z pewnością są bardzo drogie.

Przetwornik analogowo - cyfrowy A/D metody podwójnego całkowania jest względnie prosty w budowie. Jego dużą zaletą w mierniku jest dobre tłumienie zakłóceń sieciowych 50/60 Hz przy odpowiednim czasie całkowania czyli też okresu pomiarów. Wadą tego przetwornika A/D jest jego powolność ale multimetr nie musi a nawet nie powinien być za szybki ( wystarczą 2-3 pomiary na sekundę ) aby człowiek mógł odczytać nie migający rezultat.

Rozdzielczość tego przetwornika A/D zależy najczęściej od czasu zadziałania komparatora lub rzadziej maksymalnej częstotliwości taktowania licznika. W wersji podstawowej algorytmu wpierw przez stały czas całkuje się integratorem sygnał mierzony a następnie z przeciwnym znakiem de-całkuje się napięciem odniesienia przez mierzony czas do wyzerowania integratora. W rozbudowanej, szybszej i bardziej rozdzielczej wersji wpierw de - całkowanie przebiega szybko a po zbliżeniu się stanu integratora do zera de-całkowanie wykonywane jest 10-100 razy wolniej aby komparator zdążył precyzyjnie zadziałać.

Scalony w mikrokontrolerze przetwornik A/D ulepszonego podwójnego całkowania może działać z sygnałem wejściowym tylko jednego znaku co jeszcze uprości układ.

Wzmacniacze operacyjne w scalonym przetworniku są proste ponieważ są mało obciążone szczególnie gdy wyjście nie musi sterować i tolerować zakłóceń długich ścieżek płyty drukowanej PCB Prąd polaryzacji wejść wzmacniacza CMOS jest bliski zeru i można stosować dość duże rezystancje w torze sygnałowym aby nie obciążać wyjść wzmacniaczy. Zaletą prostego stopnia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego w klasie A jest bardzo duży zakres napięcia wyjściowego, bliski napięciu zasilania co ma znaczenie gdy system pracuje tylko z jednym napięciem zasilania 5V a więc małym jak na układy analogowe.

Jaka jest wymagana szybkość przetwornika A/D pracującego z mikroprocesorem lub wbudowanego w mikrokontroler ? Wynika on z wykonywanego zadania a siłą rzeczy mikroprocesory są jeszcze powolne.

Filtrowanie sygnału przez przetwornik A/D z podwójnym całkowaniem może być cenne.

Przykładowo mostek tensometryczny może być użyty w wadze przemysłowej. Po położeniu przedmiotu do zważenia występują gasnące drgania mechaniczne ale też w sygnale wyjściowym stale są obecne odebrane drgania konstrukcji budynku. Toteż sygnał przed podaniem do próbkującego przetwornika A/D poddawany jest filtracji dolnoprzepustowej. Sam całkujący przetwornik A/D ma wystarczającą filtracje.

Konstrukcja układu Próbkująco - Pamiętającego czyli Sample - Hold do przetwornika A/D w technologi CMOS jest prosta. Wymagana pojemność wewnętrznego kondensatora pamiętającego jest niewielka. Układ przetwornika całkującego nie wymaga systemu Sample – Hold.

Technologia monolityczna CMOS wytwarza wystarczająco dokładne elementy R i C do wykonania nieskomplikowanego 8-10 bitowego przetwornika D/A zamienionego w próbkujący przetwornik A/D trywialnym rejestrem aproksymacyjnym. Przetworniki CMOS D/A dokładności 12 bitowej stosują niestety drogie drabinki stabilnych rezystorów wykonane technologią cieńkowarstwową.

Dryft temperaturowy wzmacniaczy CMOS i tak likwidowany autozerowaniem nie jest duży jako że przyrost temperatury układów CMOS jest mały. Przykładowo mikroprocesor IM6100 firmy Intersil mający rozkazy minikomputera PDP-8E taktowany zegarem 3.3MHz przy napięciu 5V pobiera jedynie 10 mW mocy !

Wzmacniacze MOS mają bardzo duże szumy typu 1/F. Autozerowanie mocno zmniejsza te szumy przy bardzo małych częstotliwościach ale niestety nadal są one obecne przy większych częstotliwościach

Prąd polaryzacji wejścia układu ICL7106 wynosi jedynie 1 pA przy dryfcie napięciowym jedynie1uV/C ale szum dochodzi do 15 uVpp co niestety ogranicza od dołu zakres napięcia pomiarowego ! Mimo tego wprost układem iCL7106 mierzy się sygnał z mostków z różnymi sensorami ale szumy wejściowe są za duże do bezpośredniej współpracy z mało czułą termoparą ( większość termopar przy dużym zakresie temperatur ma wystarczającą czułość ) i dokładnym mostkiem tensometrycznym.

Szumy wzmacniaczy CMOS można jednak znacznie zmniejszyć i temat jest dopiero studiowany.

Jak już powiedziano układy analogowe historycznie startujące w rozwoju z niewielkim opóźnieniem ( mniej niż dwa lata ) w stosunku do cyfrowych zatrzymały się nisko w stopniu komplikacji.

Technologia CMOS pozwalająca integrować z mikrokontrolerem złożony system do obsługi sensorów odblokowała rozwój !

Co da integracja przetworników A/D i D/A. Obecnie przetworniki te w mikrokomputerach dołączone są do magistral Data / Adres / Control poprzez bufory lub układy portów równoległych lub przez porty mikrokontrolera. Integracja wszystkie te układy eliminuje !

Generalnie integracja monolityczna:

-scala i potania znane rozwiązania

-czyni możliwe nowe rozwiązania.

Na przykład można masowo produkować elektroniczny system sterowania do silnika samochodowego !

Ulepszenie masowej produkcji mostków tensometrycznych i własności układu ICL7106 pozwoli produkować dobre i niedrogie elektroniczne wagi dla wielu zastosowań.

Bardzo duże szumy typu 1/F podwajają szumy Mosfetów już przy częstotliwości ca 10-100 KHz. Mniej szumią typy P niż typy N Mosfetów. Ale przy dużych częstotliwościach do 1 GHz Mosfety mają najmniejsze szumy ze wszystkich tranzystorów a w dodatku są bardzo liniowe. RCA produkuje Mosfety z podwójną bramką ( mała pojemność zwrotna Bramka1 - Dren daje wysokie stabilne wzmocnienie ) stosowane w głowicach telewizyjnych. Z racji bardzo małych intermodulacji doskonale nadają się do telewizji kablowej.

Najprostszy inverter CMOS można linearyzować jednym opornikiem równoległego sprzężenia zwrotnego. Można więc stworzyć ze wzmacniaczem operacyjnym CMOS zintegrowany szybki dwutorowy wzmacniacz szerokopasmowy. Czas propagacji bramek układów VLSI NMOS i CMOS cały czas maleje i będzie malał !

Suma. Sumarum.

1.Współczesna elektronika to mikroelektronika. Bez niej nie da się milionami produkować odbiorników TVC ani każdemu założyć telefonu. W gospodarce zachodu od dwóch dekad rośnie udział usług. Usługi telekomunikacyjne, płatna telewizja kablowa i sto innych usług do … kupienia. Na coś trzeba wydawać zarobione w pracy pieniądze.

2.W mikroelektronice najważniejsza jest technologia będąca wdrożonymi w maszyny i urządzenia oraz materiały i proces osiągnięciami fizyki i chemii. Polska musiała kupić technologie do układów scalonych z czego prosty wniosek że żadnej nauki nie mamy. Są tylko pozoranci. Od tego trzeba zacząć i przestać się w końcu oszukiwać.

3.W mikroelektronice odstajemy od USA 8-12 lat ale są wyjątki gdzie dużo mniej. USA niestety prowadzi bardzo szkodliwą dla nas blokadę technologiczną i handlową krajów RWPG- trwa przecież Zimna Wojna. Produkcja części mikroelektroniki w małej skali jest w krajach RWPG wymuszona. Jeszcze gorszy jest brak koordynacji produkcji.

4.Mając schematy a nawet zdjęcia chipów wykonanie projektu masek nie jest trudne. Fizyczne wykonanie z projektu kompletu masek to na zachodzie wydatek 2-15 tysięcy dolarów a więc niemały. Zależnie od stopnia komplikacji i rozdzielczości procesu. U nas jest znacznie taniej. Do coraz bardziej skomplikowanych układów coraz rzadziej będą podawane schematy. Aż w końcu będą tajne. Zatem jak wysiądzie się z pędzącego pociągu Technologia to nie można do niego już wsiąść. Koszt fabryki nowoczesnych półprzewodników podwaja się co 4 lata !

5.Nowoczesna technologia mikroelektroniczna uchodzi za dużo bardziej skomplikowaną i trudniejszą niż nuklearna ! W USA pierwszy prymitywny komercyjny układ scalony ( jedna trójwejściowa bramka NOR ! ) powstał 16 lat po bombie jądrowej. To wyjaśnia dlaczego Związek Radziecki mający ogromny potencjał nuklearny nie umie sam wyprodukować mikroprocesora i tylko z trudem kopiuje zachodnie układy ale tak je kopiuje że trywialne układy TTL są dwa razy wolniejsze niż zachodnie.

6.Jest pewne że mikroelektronika odegra w świecie znacznie większą role niż przemysł nuklearny militarny i cywilny. Na rynku światowym już teraz nie można niczego nowoczesnego (=drogo i rentownie) sprzedać co nie ma wbudowanej nowoczesnej elektroniki.

7.Państwa arabskie dysponując miliardami dolarów z eksportu ropy naftowej mają „mokre sny” i marzenia o broni jądrowej. Z kolei Polska miała marzenia o nowoczesności, którą miały zapewnić kupowane licencje na wszystko. Jest plajta.

Eksportujemy węgiel i miedź niczym kraj afrykański.