Электронные компоненты «всех времён и народов»: контроллеры и операционные усилители

Время чтения: 15 минут

Электронные схемы нынешней техники во многом опираются на решения, разработанные десятилетия назад, но до сих пор актуальные. Среди таких «долгожителей» особое место занимают специализированные контроллеры и операционные усилители — микросхемы, без которых невозможно представить ни импульсные источники питания, ни системы управления, ни аналоговую обработку сигналов.

В этой части рассматриваются знаковые представители этих классов: широтно-импульсный контроллер TL494, универсальный таймер NE555, а также классические операционные усилители LM358 и NE5532. Эти компоненты стали стандартами де-факто, определившими развитие многих электронных устройств — от бытовой аппаратуры до промышленной электроники.

Микросхема уже была вскользь упомянута в предыдущей части с приставкой «сверхпопулярная». Если TL431 стала стандартом де-факто усилителя ошибки системы обратной связи импульсных блоков питания с оптической развязкой первичной и вторичной цепей, то TL494 является стандартом де-факто контроллеров широтно-импульсной модуляции этих же самых импульсных блоков питания.

Разработана TL494 в конце 1970-х годов американской компанией Texas Instruments (кем же ещё; кажется её одной хватит на всё и всех), а массово стала применяться в начале 1980-х в широкой номенклатуре устройств, большинством из которых были импульсные блоки питания (микросхема применяема и в качестве настраиваемого генератора импульсов, но основное применение — всё же контроллер широтно-импульсной модуляции импульсных блоков питания). Популярным местом, где можно «встретить» TL494, являются лабораторные и компьютерные блоки питания, «сердцем» которых будет либо оригинальная TL494, либо один из её многочисленных «клонов»: DBL494, KIA494, M5T494, KA7500, отечественный КР1114ЕУ4 и другие.

Функционально микросхема сложна. Её функциональные блоки:

Принцип работы микросхемы прост. При подаче питания начинается внутренняя выработка пилообразных импульсов, частота которых определяется подключёнными частотозадающими элементами (резистором и конденсатором). Эти пилообразные импульсы поступают в узел управления выходным каскадом, где формируют прямоугольные импульсы, поступающие на выходы микросхемы, для управления силовыми ключами преобразователя напряжения. Частота импульсов «жёстко» задаётся с помощью внешних элементов, а их скважность (широтно-импульсная модуляция, ШИМ) зависит от напряжения на управляющих выводах микросхемы: общем выходе усилителей ошибки (а напряжение на нём зависит от напряжений на входах усилителей ошибки) и выводе установки «мёртвого времени». Таким образом, TL494 является формирователем прямоугольных импульсов заданной частоты, но переменной скважности, которая зависит от напряжений на управляющих выводах. Микросхема применима в качестве контроллера однотактных и двухтактных блоков питания: режим работы определяется величиной напряжения на соответствующем выводе.

Выпускается TL494 в традиционном для микросхем старых годов выпуска корпусе DIP-16, а также в более современном SOP-16, предназначенном для поверхностного монтажа (SMT). Высокая надёжность и эффективность TL494 позволили ей стать «королевой» среди подобных микросхем, а техническое совершенство позволит быть таковой ещё не одно десятилетие.

Микросхема NE555 — универсальный настраиваемый таймер для работы в узлах генерации единичных и периодических импульсов, а также формирования задержек. Общая функциональная продуманность, надёжность и эффективность позволяли микросхеме стать, по мнению американского автора (Дуг Лоу, Doug Lowe) книг по электронике, «вероятно, самой популярной из когда-либо созданных микросхем». Сегодня выпускается более 1 миллиарда микросхем NE555 в год. NE556 и NE558 являются сдвоенными и счетверёнными разновидностями NE555 соответственно. У микросхемы много функциональных аналогов с различной маркировкой, однако встретить их сложнее, чем оригинальную NE555, в том числе и отечественный КР1006ВИ1.

Разработана микросхема в 1971 году американским инженером швейцарского происхождения Гансом Каменциндом по заказу американского производителя микросхем — компании Signetics, являющейся частью Philips (сегодня — NXP). Первоначально Каменцинд работал над созданием относительно сложных микросхем фазовой автоподстройки частоты, но вскоре ему в голову пришла идея сделать простую универсальную микросхему, которая и была разработана им в одиночку. Обозначение микросхемы было придумано Каменциндом случайно, но есть версия, что цифровое обозначение «555» было «навеяно» одним из элементов внутреннего устройства микросхемы, состоящим из трёх резисторов номиналом по 5 килоом. Как бы то ни было, микросхема с «красивым» обозначением была «обречена» на коммерческий успех (как в случае с транзистором 2N2222) и в 1972 году выпускалась уже двенадцатью компаниями и стала наиболее продаваемой микросхемой.

Функциональное устройство микросхемы довольно просто; она состоит из следующих узлов:

Принцип работы NE555 основан на формировании на её входах напряжений, величины которых задают начало импульса (устанавливают триггер-защёлку в высокое состояние, или в состояние логической единицы) и окончание импульса (устанавливают триггер-защёлку в низкое состояние, или состояние логического нуля). Изменение напряжений на входах происходит в результате заряда и разряда через резистор(ы) времязадающего конденсатора. Частота и ширина импульсов задаются именно номиналами резистора(ов) и конденсатора.

NE555 может работать в следующих режимах:

Сегодня микросхема изготавливается в «массовом» корпусе DIP-8, а также различных корпусах для поверхностного монтажа (SMT): SO-8, BGA и других. Также существует необычная разновидность — MIC1555, имеющая всего 5 выводов и корпусирующаяся в SOT-23-5. Она способна генерировать импульсы с частотой до 5 мегагерц, в отличие от NE555, имеющей ограничение в 500 килогерц. Оригинальная NE555 выпускалась в металлическом корпусе TO-5 и имела позолоченные выводы.

Если мастеру по ремонту электронной аппаратуры предложить назвать самый часто встречающийся операционный усилитель, он ответит, что это LM358. ОУ является сдвоенным операционным усилителем общего назначения и применяется для решения широкого круга задач. Широкий диапазон питающих напряжений (двухполярного или однополярного), низкое энергопотребление, широкий динамический диапазон и линейность совместно с низкой стоимостью позволила LM358 надолго завоевать любовь профессионалов и любителей.

В 1968 году американской компанией National Semiconductor был разработан «легендарный» операционный усилитель μA741, как более совершенная замена LM101 (удивительно, но LM101 до сих пор выпускается в оригинальном металлическом корпусе TO-5). Позже, в компании решили сделать универсальную версию 741-го, способную работать как от двухполярного, так и от однополярного питания и имеющую большее быстродействие. Так в начале 1970-х годов увидел свет LM321, счетверённый LM324 и сдвоенный LM358, который и стал синонимом словосочетания «операционный усилитель» на многие десятилетия. По логике, LM358 должен обозначаться «LM322» по аналогии с «коллегами» LM321 и LM324, но в то время уже существовала микросхема-таймер LM322 (ныне не выпускающаяся), вследствие чего обозначение рассматриваемой микросхемы выбивается из общего ряда. К слову сказать, μA741 тоже выпускается до сих пор несколькими компаниями (конечно, уже не в металлическом TO-5 с позолоченными выводами, а в «обычном» SO-8), но не имеет такого широкого распространения как LM358.

Микросхема представляет собой сдвоенный «классический» операционный усилитель с двумя входами и одним выходом. Выводов для установки смещения LM358, как μA741 не имеет. Питание однополярное (3–30 вольт) или двухполярное (±3–±15 вольт), ток потребления не более 1 миллиампера. Предельная частота сигнала 1 мегагерц.

Сегодня операционный усилитель выпускается преимущественно в корпусах DIP-8 и SO-8. Применение LM358 и его одноканальных (LM321) и четырёхканальных версий (LM324) возможно в цепях усиления, генерирования и фильтрации сигналов, а также в различных цепях автоматического управления.

Несмотря на то, что «великий и ужасный» LM358 применяется «везде и всюду», всё равно он имеет не совсем подходящие характеристики для использования в аппаратуре высококачественного звукоусиления из-за высокого уровня шума и нелинейных искажений. В этой сфере — Hi-Fi и Hi-End — прочно «засел» не менее легендарный операционный усилитель NE5532, который стал стандартом де-факто высококачественного усиления звука. Британский инженер-электроник, специализирующийся в области обработки звука, Дуглас Селф (Douglas Self), сказал, что «скорее всего, в мире нет никакой музыки, которая бы перед тем как оказаться в ваших колонках, не прошла через сотню-другую NE5532». Сегодня есть более совершенная замена микросхемы, а именно LM4562, но всё же рассматриваемая NE5532 не сдаёт позиции и применяется повсеместно. Помимо обозначения NE5532, микросхема выпускается с маркировкой SA5532, SE5532 или просто 5532.

NE5532 была разработана небезызвестной и уже упомянутой компанией Signetics и представлена публике в 1979 году. Появление этой микросхемы сразу произвело фурор: впервые операционный усилитель смог по качеству звучания превзойти усилитель класса А, построенный на дискретных элементах. Микросхема имеет неслыханный коэффициент нелинейных искажений 0.0005%. Помимо сдвоенного операционного усилителя NE5532, увидел свет NE5534 — имеющая меньшую стабильность и менее популярная «половина» NE5532, а также NE5533 — давно снятая с производства нескомпенсированная разновидность NE5534.

NE5532 является сдвоенным высокоэффективным малошумящим операционным усилителем, демонстрирующим выдающиеся характеристики, связанные с низким уровнем шума, высокой полосой пропускания и температурной стабильностью. Питание микросхемы двухполярное с высоким для операционных усилителей максимальным напряжением ±44 вольта, но работа микросхемы при напряжении питания выше ±34 вольта сопряжена с повышенным током потребления и сильным нагревом. Также возможно однополярное питание, но основным вариантом является всё же двухполярное. NE5532 требует обязательной установки блокировочных конденсаторов 100 нанофарад между выводами питания и общим проводником для предотвращения искажения усиливаемого сигнала.

Выпускается NE5532 в корпусах DIP-8 для пайки в отверстия и SOIC-8 для поверхностного монтажа (SMT). Ввиду своей «музыкальной» специфики, микросхема чаще всего встречается в различной высококлассной звуковоспроизводящей аппаратуре: усилителях, микшерных пультах, телевизорах, ресиверах, портативных проигрывателях, акустических системах и т. д.