Wzmacniacz. uA733

Wzmacniacz. uA733

  Koncern Fairchild był pionierem w dziedzinie scalonych układów monolitycznych a w tym wzmacniaczy operacyjnych.

Układ nie – operacyjnego różnicowego wzmacniacza szerokopasmowego uA733 Fairchild w katalogu nie jest umieszczony w dziale wzmacniaczy ale został umieszczony w rozdziale „Computer Interface” jako „Tape-Disc File amplifier” wraz nadajnikami i odbiornikami linii, driverami i wzmacniaczami odczytu do pamięci ferrytowej i MOS, przetwornikami D/A i dekoderami do siedmiosegmentowych wyświetlaczy LED.

Układ należy sklasyfikować jako dwójkę szerokopasmową z lokalnymi mieszanymi sprzężeniami zwrotnymi – szeregowym emiterowym w stopniu pierwszym i równoległym kolektorowym w stopniu drugim.

Przy przesterowaniu układu działa on jako szybki komparator bez spowolniającego pracę nasycenia tranzystorów.

Maksymalne napięcie zasilania wynosi +/-8V czyli 16 V dlatego że tranzystory w użytej technologii mają Ft ponad 1200 MHz i siłą rzeczy mniejsze jest napięcie Uceo tych tranzystorów niż ma standardowa technologia. Rekomendowane napięcie zasilania wynosi +/-6V.

Wybierane zewnętrznie scalone rezystory emiterowe szeregowego ujemnego sprzężenia zwrotnego wejściowej pary różnicowej wyznaczają nominalne ( przy temperaturze 25C ) wzmocnienie i pasmo wzmacniacza:

-Wzmocnienie 10 i pasmo 120 MHz.

-Wzmocnienie 100 i 90 MHz.

-Wzmocnienie 400 z pasmem 40MHz bez rezystorów

Wzmocnienia trochę spadają ze wzrostem temperatury tym mocniej im większe jest wybrane wzmocnienie. Jeśli konieczne jest stabilne wzmocnienie trzeba użyć termistora do kompensacji temperaturowej zmian.

Pożądane wzmocnienie można też ustalić opornikiem lub pożądaną charakterystykę częstotliwościową można kształtować w sprzężeniu zwrotnym wejściowej pary różnicowej zewnętrznym obwodem RC, RL lub RLC.

Gdy przykładowo wzmacniacz odbiera sygnał z symetrycznej linii przesyłowej ( tak zwana skrętka ) obwód RC lub RLC może zapewnić charakterystykę equalisera czy odwrotną do rosnącego z częstotliwością tłumienia linii.

Drugi różnicowy stopień pracuje z równoległym kolektorowym sprzężeniem zwrotnym. Stopień obciążony jest wtórnikiem emiterowym który stanowi niewielkie pojemnościowe obciążenie rozszerzające (!) pasmo stopnia ze sprzężeniem równoległym. Sprzężenie równolegle wzięto nie z kolektorów ale z emiterów wtórników co ma podobny efekt jak mała indukcyjność dana w szereg z rezystorami sprzężenia zwrotnego.

Dwójka szerokopasmowa z dodatkowym wtórnikiem wyjściowym w takiej konfiguracji bardzo dobrze pracuje do częstotliwości około 0.1-0.15 Ft tranzystorów. Jej mankamentem może być czasem brak dopasowania falowego na wejściu i wyjściu ale w znanych zastosowaniach uA733 nie jest to wadą. Dopasowanie do linii na wyjściu wzmacniacza łatwo osiąga się szeregowymi rezystorami.

Częstotliwość graniczna monolitycznych tranzystorów cały czas rośnie i przy zachowaniu schematu i zeskalowaniu wartości rezystorów w dół z dużo szybszymi tranzystorami można wyprodukować wzmacniacz o znacznie szerszym paśmie, nawet ponad 1 GHz.

Układ uA733 jest bardzo prosty. Przełączanie wzmocnienia rezystorami przełącznikiem lub miniaturowym przekaźnikiem jest możliwe ale zastosowanie tam kluczy elektronicznych jest niestety trudne.

Możliwa jest rozbudowa funkcjonalna schematu układu. Wydaje się że lepszym rozwiązaniem wyboru wzmocnienia byłyby trzy wejściowe pary różnicowe z ustalonymi rezystorami emiterowymi wzmocnieniami. Aktywne byłoby tylko jedno źródło prądowe pary wybierane zewnętrznym sygnałem logicznym. Pewnym problem jest zwiększona pojemność wyjściowa stopni wejściowych.

Najnowsze cyfrowe woltomierze i multimetry mają automatycznie wybierany zakres pomiarowy. Automatycznie wybierany zakres pomiarowy może też mieć oscyloskop i to bez zastosowania dużych, drogich, miniaturowych przekaźników sygnałowych.

Wzmacniacz sygnału z głowicy pamięci taśmowej i dyskowej winien być umieszczony jak najbliżej szerokopasmowej głowicy aby pojemność delikatnego elastycznego połączenia z ruchomymi głowicami nie degradowała sygnału i aby połączenie nie zbierało zakłóceń. Z tych dwóch powodów wejście symetryczne jest znacznie korzystniejsze niż asymetryczne zwłaszcza jeśli chodzi o zakłócenia. Prosta z układem uA733 jest realizacja funkcji wybrania jednej z głowic napędu wejściowym układem diodowym jako przełącznikiem.

W zależności od użytego kodu kanałowego filtracja filtrem / korektorem opóźnienia grupowego LC i operacje nieliniowe na sygnale przed podaniem do komparatora decyzyjnego na sygnale symetrycznym nie komplikują nadmiernie układu. Komparator decyzyjny ma zawsze wejścia symetryczne. W tych zastosowaniach wyjście symetryczne uA733 ze sporą wspólna składowa stałą również nie jest minusem a raczej plusem.

Pamięć masowa minikomputera szybka jak dysk i ogromnej pojemności jak taśmowa jest ogromnym atutem maszyny podobnie jak połączenie z innymi maszynami w całej sieci informatycznej. Pojemny dysk prawie podwaja wysoką cenę minikomputera ale rośnie jego użyteczność i wzrasta wydajność pracy na takim komputerze.

Kontroler dysku jest skomplikowany - jest znacznie bardziej skomplikowany niż procesor minikomputera i kontroler sam może mieć swój procesor. Kwestią czasu jest scalenie kontrolera dysku przez Intela i Motorole.

Na rysunku z Hewlett Packard Journal, pokazano zgrubnie system dysku w części Odczytu – Zapisu Read-Write.

Jak widać przedwzmacniacz, wzmacniacz i komparator mają symetrycznej wejścia i wyjścia. Łatwa jest tu z układem uA733 realizacją w sprzężeniu emiterowym automatycznej regulacji wzmocnienia AGC. Nie wiadomo jakie układy zastosował w swoim twardym dysku koncern HP ale nie jest wykluczone że właśnie uA733.

Układ uA733 jest bardzo prosty i wydaje się że mógłby być „cegłą do budowy”, fragmentem dużo większego układu scalonego realizującego funkcje Read-Write do dysku lub taśmy magnetycznej. Integracja kontrolera jak i toru Read-Write pozwoliłaby ogromnie zmniejszyć koszty produkcji elektroniki dysków tym samym zwiększając rynek na bardzo obecnie drogie dyski.

Wzmacniacz uA733 został już zastosowany w torach wzmacniaczy Y oscyloskopów dając znaczne zmniejszenie ilości zastosowanych elementów i uproszczenie konstrukcji. Układ uA733 musi być poprzedzony wejściowym „symetrycznym” wtórnikiem źródłowym na tranzystorach JFet aby wzmacniacz miał dużą oporność wejściową i znikomy prąd polaryzacji wejścia. Oczywiście wejście oscyloskopu musi być zabezpieczone przez zbyt dużym sygnałem.

Atutem jest łatwe przełączanie przełącznikiem wzmocnienia układu uA733 i możliwość regulacji płynnej potencjometrem ale z uwagi na pojemność i indukcyjność potencjometr wchodzi w rachubę do częstotliwości 50 MHz. Symetryczne wyjście układu uA733 jest wygodne bowiem stopień wyjściowy wzmacniacza Y oscyloskopu zawsze jest symetryczny bowiem płytki odchylające strumień elektronów lampy oscyloskopowej są symetryczne. W stopniu końcowym Y oscyloskopu zdecydowanie najlepsza jest kompensacja jedną cewką sprzężoną T z odczepem. Ta kompensacja daje najszersze pasmo i małe zniekształcenia impulsów.

Układ uA733 zastosowano też we wzmacniaczach sygnału wejściowego w częstościomierzach. Podobnie jak w oscyloskopie konieczny jest przed wzmacniaczem uA733 zabezpieczony wejściowy wtórnik źródłowy na tranzystorze JFet. Widać tu podobieństwo.

Układ wzmacniacza wejściowego częstościomierza powinien mieć automatyczną regulacje wzmocnienia aby poprawnie zdetekowane były przejścia sygnałów bogatych w harmoniczne przez zero.

Najszybsze układy rodzin TTL zliczają do częstotliwości 50MHz i układ wzmacniacza wejściowego z układem uA733 jest zupełnie wystarczający. Wyjścia wzmacniacza uA733 nie można wprost połączyć z układem rodziny TTL ale układ pośredni jest bardzo prosty.

Zakres pracy preskalerów w technologii ECL sięga 1 GHz. Ich czułość jest wystarczająca bez dodatkowego wzmacniacza ale konieczna jest trudna do wykonania ochrona przed dużym sygnałem. Wejście częstościomierza na duże częstotliwości jest dopasowane do kabla koncentrycznego 50 lub 75 Ohm bowiem duże odbicia są niedopuszczalne.

Zatem pasmo wzmacniacza uA733 dla toru „wolnego” częstościomierza jest zupełnie wystarczające a tor szybki ma preskaler o wystarczającej czułości lub wzmacniacz na układzie 10116 poprzedzający zwykłe układy ECL. Układ ECL 10116 zawiera trzy pary różnicowe z wyjściowymi wtórnikami emiterowymi oraz źródła prądowe zasilające pary różnicowe i napięcie odniesienia.

Standardowe liczniki z rodziny logiki ECL pracują do częstotliwości ca 350MHz.

Przy okazji należy się parę słów wyjaśnienia aby uniknąć nieporozumień. W koncernie IBM tranzystorowe pary różnicowe w logice odkryto w 1956 roku ale para różnicowa tranzystorów była znana już wcześniej. W komputerach 7094 zastosowano pary różnicowe PNP i NPN w logice. W komputerach rodziny S360 generalnie zastosowano logikę na nienowoczesnych układach hybrydowych SLT. W najszybszych modelach 360-91 zastosowano monolityczne układy ECL własnego projektu ale produkowane tylko na własne potrzeby. Logikę ECL zastosowano też w nowszych szybkich modelach linii S370. Także własną logikę ECL zastosowały inne firmy komputerowe. Logikę ECL o nazwie MECL kolejnych rodzin na otwarty rynek od 1962 roku produkuje Motorola i naśladowczo jej układy produkują inne koncerny. „ECL ” oznacza zatem rozwiązanie stosowane w układach MECL Motoroli naśladowane na całym świecie. Układy logiczne ECL innych firm nie są produktem komercyjnym i nie są naśladowane. Zatem praktycznie nigdy się o nich nie mówi.

Układy wzmacniaczy szerokopasmowych uA733 można zastosować także w:

-We wzmacniaczu sygnału z głowicy magnetowidu

-Telewizyjnych urządzeniach studyjnych i nadajniku TV

-W generatorze różnych sygnałów testowych a w tym w generatorach obrazów systemów kolorowych PAL, Secam i NTSC

-Grach komputerowych

-Odbiorniku telewizji satelitarnej

-Systemach telewizji „przemysłowej”

-W każdym przyrządzie pomiarowym i sensorze z sygnałami szerokopasmowymi

-W radarach

Monolityczne układy analogowe pojawiły się trochę później niż cyfrowe. Ilość tranzystorów w układach logicznych i pamięciach stale rosła, rośnie i będzie rosła: SSI, MSI, LSI, VLSI. Natomiast rozwój układów analogowych jak gdyby się zatrzymał. Najbardziej skomplikowane układy monolityczne do kolorowych odbiorników telewizyjnych mają góra kilkaset tranzystorów a więc strasznie mało na tle układów cyfrowych.

Koniem roboczym w układach analogowych jest różnicowa para tranzystorów. Bez trudu pary komponuje się w szerokopasmowy wzmacniacz, komparator, organicznik, przestrajany generator, układ mnożący Gilberta do demodulatorów ale też do modulatorów... Wtórniki emiterowe obniżają składową stałą DC różnicowych sygnałów będąc przesuwnikami poziomów bo na razie tranzystory PNP są rozpaczliwie powolne.

Zaletą wejścia różnicowego jest to że jest różnicowe i omija się zakłócający asymetryczny sygnał niezerowy spadek napięcia na GND czyli podłożu układu. Można operować na bardzo małych sygnałach. Symetryczne sygnały wyjściowe i to w dodatku o niewielkich napięciach dają małe zakłócenia.

Para różnicowa jest podstawą układów logicznych ECL. Aby przyspieszyć złożoną logikę, oszczędzić na ilości tranzystorów i poborze mocy stosuje się „nieortodoksyjne” aranżacje wewnątrz złożonych układów scalonych. Sygnał jest czasem wewnątrz układu przesyłany jako prąd a nie napięcie. Ogranicza się napięcie na sumującym prądy rezystorze w bramce złożonej AND-OR. Itd.

Wewnątrz układu scalonego szybkie sygnały mogą być bardzo małej mocy podczas gdy w realizacji dyskretnej moc wynika z napięcia sygnału i rezystancji falowej ścieżki płyty drukowanej i jest duża.

Opracowanie nowego układu scalonego jest kosztowne. Seria produkcyjna i cena jednostkowa muszą to uwzględniać. We wspomnianym układzie Read-Write do dysku komputera Hewlett Packard pewnie zastosowano scalone wzmacniacze szerokopasmowe i komparatory ale jest wątpliwe aby realizacje całej funkcji scalono bowiem produkcja minikomputerów jest obecnie za mała. Przy seriach produkcyjnych odbiorników TVC jest to produkcja bardzo mała. Ale gdy komputery domowe się upowszechnią to nagle opłaci się wszystko scalać i stosować optymalizowane metody produkcji masowej ! A wtedy ceny na przykład dysków runą w dół ale przychody producentów z racji masowej produkcji będą kosmiczne.

Analogowymi radioliniami FM przesyła się sygnał telefonii nośnej. Pojemne systemy telefonii nośnej są drogie i skomplikowane. Ale udział linii abonenckich kodowanych cyfrowo w PCM stale rośnie ale ciągle dominują centrale telefoniczne analogowe a w tym elektromechaniczne. Sygnał mowy przetwarza się w koncentratorze na PCM i parę kilometrów przesyła kablem a przed centralą sygnał PCM przetwarza się na sygnał analogowy dla centrali analogowej. Daleko sygnał analogowy przesyła się systemami nośnymi.

Ale szczęśliwie sygnał PCM komutuje się też w cyfrowych centralach i przesyła cyfrowymi radioliniami z modulacją fazową. W technologi analogowej - ECL bez trudu da się taki modulator i demodulator do radiolinii scalić razem z układem synchronizacji i podstawy czasu PLL.

Warto zwrócić uwagę ze także elektronika dysku na układ synchronizacji oraz podstawy czasu PLL. Uderza podobieństwo wykonywanych zadań.

Po opracowaniu systemu dla dysku lub radiolinii przy drugim opracowaniu nie trzeba od podstaw wyważać otwartych drzwi a tylko wykonać modyfikacje i adaptacje do potrzeb.