Интегральные коммутаторы: параметры, применение

Схемы / Прочие схемы
Administrator
3 616
22-04-2017, 15:50
0

Интегральные коммутаторы с электронным управлением широко используют в современной бытовой аппаратуре для коммутации видео- и аудиосигналов. О замене их при ремонте зарубежной техники и некоторых интересных примерах применения таких коммутаторов рассказывает публикуемая статья.

Из обширной номенклатуры интегральных микросхем, выпускаемых зарубежными фирмами, коммутаторы - один из наиболее универсальных их видов. Встретить интегральные коммутаторы (ИК) можно почти в любой современной модели телевизора, видеомагнитофона, усилителя ЗЧ, видеокамеры, тюнера, звукового магнитофона, а также в другой бытовой аппаратуре. В связной технике, промышленной электронике и других областях ИК применяют не менее широко.

Небольшое число ИК имеет отечественные аналоги, однако большую их часть выпускают только зарубежные фирмы. Многие ИК обладают весьма впечатляющими техническими характеристиками, часто не требуют использования каких-нибудь дополнительных навесных элементов и "неприхотливы" к параметрам источников питания. В связи с этим рассмотрим аспекты применения ИК в разнообразных радиолюбительских конструкциях, а также вопросы их идентификации в аппаратуре и подбора аналогов при ремонте.

Проблемы, связанные с идентификацией микросхем вообще и ИК в частности, в практике ремонта возникают очень часто, особенно когда микросхемы в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа имеют только цифровую маркировку. В таких случаях даже заказать микросхему, не имея ее полного наименования, весьма затруднительно.

Со времени создания в 1958 г. фирмой TEXAS INSTRUMENTS (США) первых интегральных микросхем выпущено такое количество их типов, что получить достоверную техническую информацию о них часто бывает крайне затруднительно. Предпринимаемые попытки стандартизировать обозначения микросхем в международном масштабе особым успехом не увенчались, хотя, например, европейские производители стараются придерживаться принципов кодирования наименований микросхем международной организацией PRO ELECTRON (ASSOCIATION INTERNATIONAL PRO ELECTRON) [1]. На практике в большинстве моделей видео- и аудиотехники, продаваемой у нас (и не только), доминируют микросхемы азиатского, в основном японского происхождения. Причем речь идет не только о собственно японской аппаратуре, но и о многих видах продукции фирм Европы и США, в которых доля японских микросхем весьма значительна.

К сожалению, автору неизвестны принципы кодирования микросхем, принятые в Японии. Предположительно они определяются японской Ассоциацией промышленной электроники EIAJ (ELECTRONIC AND MECHANICAL INDUSTRIAL ASSOCIATION OF JAPAN), но с европейской системой они не согласуются. Поэтому в дальнейшем наименования микросхем будут даны по сведениям, полученным автором из практики работы с конкретной аппаратурой (по маркировке) и из принципиальных схем.

Примечательно, что в настоящее время трудно определить страну-изготовителя микросхем, их производство ведущими фирмами налажено далеко за пределами своих стран. Что касается ИК, то автору встречались японские микросхемы, выпущенные в Малайзии, Сингапуре, на Филиппинах, Тайване, в Корее и других странах. Можно предположить, что число стран-изготовителей японских микросхем значительно больше, так как только на некоторых имеется соответствующая маркировка. Наиболее широко распространены ИК для бытовой видео- и аудиотехники, выпускаемые фирмами ROHM, TOSHIBA, SANYO, MATSUSHITA, JRC, MITSUBISHI, NEC (Япония), MOTOROLA (США), SGS - THOMSON (Франция) и др. Более узко специализированные ИК выпускают и многие другие фирмы.

Существует довольно много полностью или частично взаимозаменяемых ИК, выпускаемых разными фирмами и имеющих различную маркировку на корпусах. Информация по подбору аналогов при ремонте радиоаппаратуры в таких случаях может быть весьма полезной. Например, редко встречающуюся в продаже микросхему с маркировкой 4066 в корпусе для поверхностного монтажа (полное наименование - MN4066BS фирмы MATSUSHITA) можно заменить функциональным аналогом из ряда других микросхем: BU4066B, BU4066BC (RHOM), mPD4066BC (NEC), TC4066BP (TOSHIBA), HCF4066BE (SGSTHOMSON), MC14066BCP (MOTOROLA), CD4066BE, LC4066B и др. в стандартном корпусе (14 выводов), а во многих случаях и отечественными К561КТ3, 564КТ3, КР1561КТ3. Параметры, цоколевки, схемы включения отечественных ИК (мультиплексоров) нетрудно найти в литературе [2].

Кроме четырехканального коммутатора-аналога К561КТ3, в зарубежной аппаратуре применяют и другие, имеющие отечественные функциональные аналоги в сериях К176, К561, 564, КР1561. Полные аналоги, выполненные в одинаковых корпусах и имеющие идентичные электрические характеристики, подобрать существенно труднее, так как оригинальная справочная литература по зарубежным микросхемам у нас пока трудно доступна. Однако, с точки зрения ремонтной практики, не играет большой роли, например, разница в быстродействии или значениях емкостей между выводами и даже другой тип корпуса. Важен конкретный результат - восстановление работоспособности аппаратуры доступными (и недорогими) средствами.

Ниже перечислены известные автору функциональные аналоги отечественных ИК серий К176, К561, 564, КР1561, соответствующие зарубежным: ТС4016В, ТС4016BP, CD4016BE, CD4016BF - К176КТ1; MN4051B, CD4051BF, MC14051BF, HD14051BP, HEF14051BP, SCL4051BE - К561КП2, 564КП2, КР1561КП2; M4052BP, MC14052BCP, TC4052BP, CD4052BE, HCF4052BE - К561КП1, 564КП1, КР1561КП1; MC14512AP, CD4512BE - КР1561КП3; MC14519BF, MC14519BP, CD4519BE - КР1561КП4.

Весьма широко в бытовой видео и аудиотехнике применяют строенный двухканальный ИК с раздельным управлением, не имеющий отечественных аналогов, с различной, в зависимости от фирмы производителя, маркировкой: BU4053, TC4053BP, CD4053AE, CD4053BF, HEF4053BP, HD14053BP, MC14053BCP, MC14053BE, 4053BСN, SCL4053BE и др. Используя его, удобно, например, организовать подключение двух стереозвуковых видеомагнитофонов к УМЗЧ и телевизору (входы левого, правого каналов и видеовходы). Цоколевка и структурная схема такого коммутатора показаны на рис. 1 (обозначения выводов соответствуют принятым фирмой MITSUBISHI). Управление ключами А, В, С происходит независимо по входам SA, SB, SC. Положению Н ключей соответствует уровень 1 на входе управления, положению L - уровень 0. Напряжение уровня 1 на входах управления должно быть равно не менее 70 % от напряжения питания VDD, а уровня 0 - не более 30 %. При подаче уровня 1 на вход управления Е - все ключи разомкнуты независимо от значения напряжения на входах SA, SB, SC. При однополярном питании вывод VEE соединяют с общим проводом VCS.

Напряжение питания VDD коммутатора может находиться в пределах 3...15 В. От его значения зависят сопротивление открытого ключа, быстродействие, входные и выходные емкости. Чем больше это напряжение, тем лучше параметры ключей. Сопротивление открытого ключа от значения 500 Ом и более при напряжении питания 5 В уменьшается до 100 Ом и менее при 15 В. Быстродействие ключей растет практически пропорционально напряжению питания, зависит от параметров (сопротивления и емкости) нагрузки и ориентировочно равно 50 нс при напряжении питания 15 В (под быстродействием понимается время задержки включения/выключения ключа с момента подачи управляющего сигнала). Значения входных и выходных емкостей также минимальны при напряжении питания 15 В и равны 15...30 пФ.

Конкретные значения параметров ИК определяются также вариантами исполнения (имеют разные буквенные индексы: АЕ, ВЕ, BF, BP, BCP, BCN и др.) у различных фирм-изготовителей.

При необходимости коммутации разнополярных сигналов на вывод VEE подают напряжение питания в пределах 0...-12 В. Необходимо только помнить, что максимальное напряжение между выводами VDD и VEE не должно превышать 15 В (суммарно по абсолютному значению). От значений питающих напряжений зависит и максимальный размах передаваемых сигналов, которые не должны "приближаться" более чем на 0,2 В к напряжениям на выводах VDD и VEE.

Особенности применения ИК рассмотрим на примере распространенного телевизора FUNAI-TV-2100AMK10HYPER, фрагмент принципиальной схемы которого представлен на рис. 2. В этой модели предусмотрен стереозвуковой режим при работе через внешние входы, расположенные как на передней, так и на задней панелях. Сопротивления входов 100 кОм определяются резисторами R729, R730. Звуковые сигналы левого и правого каналов через конденсаторы С703, С704 поступают на выводы 5 и 2 микросхемы IC701. Поскольку использовано однополярное питание микросхемы напряжением +8 В, обязательным условием неискаженной передачи звуковых сигналов следует указать наличие на входах некоторого постоянного напряжения. В нашем случае с делителей R710R711 и R713R714 на входы микросхемы подано напряжение +4 В. Для защиты входов от перенапряжения установлены стабилитроны D704, D706 на напряжение 8,2 В.

В случае приема эфирных телепередач звуковой сигнал с микросхемы радиоканала М52340S фирмы MITSUBISHI (IC301, на ее выводе 46 имеется напряжение +2,6 В) приходит одновременно на выводы 1 и 3 микросхемы IC701.

Выходные сигналы с выводов 15 и 4 коммутатора через электронный регулятор громкости на микросхеме IC801 (UPC1406HA) проходят на интегральный стереоусилитель ЗЧ LA4261.

Немного необычно выполнены узлы прохождения видеосигнала. С внешних видеовходов через антипомеховый фильтр L702C713 он поступает на эмиттерный повторитель на транзисторе Q701 с высоким входным сопротивлением. При этом размах ПЦТВ на входе вместо стандартного значения в 1 В оказывается равным 1,8...2 В. Далее видеосигнал через вывод 12 микросхемы IC701, который замкнут с выводом 14 (ключ А в режиме "Видео"), проходит еще два эмиттерных повторителя на транзисторах Q703, Q702. В результате размах сигнала на видеовыходе при его нагрузке на видеовход сопротивлением 75 Ом оказывается равным стандартному значению 1 В. Недостатком такого включения следует указать отсутствие согласования по видеовходу, вследствие чего при большой длине соединительного кабеля возможен завал высокочастотных составляющих ПЦТВ, т. е. некоторое снижение четкости и даже цветовой насыщенности в системе ПАЛ.

В режиме просмотра телепередач (другое положение ключа А) сигнал с видеодетектора блока радиоканала (вывод 52 микросхемы IC301) через режекторные фильтры СF31, CF32, делитель R722R723 приходит на вывод 13 микросхемы IC701. Далее видеосигнал через эмиттерный повторитель на транзисторе Q703 разветвляется на два направления: на видеовыход, что описано, и через делитель R732R705 на вход каналов яркости и цветности микросхемы IC301 (вывод 36).

Всеми ключами коммутатора IC701 управляют одновременно подачей уровня 0 или 1 (+8 В) с инвертора на транзисторе Q706, который коммутируется микропроцессором IC101 (М37220M). На его выводе 5 уровню 1 (+5 В) соответствует режим работы с видеовхода, а уровню 0 - режим просмотра телепередач.

Интегральные коммутаторы (ИК) в настоящее время не дефицитны, и цены на них вполне доступны. Поэтому трудности их применения в основном возникают лишь при необходимости замены микросхем в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа. Их широко используют в видеокамерах и современных моделях видеомагнитофонов различных фирм. Для этих случаев более подходят отечественные микросхемы серии 564 в корпусах с планарными выводами. Строенные коммутаторы TС4053 и другие, хотя и не имеют полных отечественных аналогов, вполне могут быть заменены, например, двумя микросхемами КР590КН4, каждая из которых содержит сдвоенные ключи с независимым управлением.

На ИК можно собрать и самые различные радиолюбительские устройства. Например, в [3] описано их использование в генераторе линейно изменяющегося напряжения и в устройстве выборки-хранения для преобразователя числа строк систем авторегулирования видеомагнитофонов.

В качестве еще одного примера рассмотрим применение ИК в устройстве восстановления постоянной составляющей телевизионного сигнала.

Известно, что видеосигнал содержит постоянную составляющую, значение которой зависит от содержания изображения и изменяется с частотой 0...3 Гц. Изза наличия разделительных конденсаторов в аппаратуре формирования видеосигналов она, как правило, теряется. В нужных точках тракта ее искусственно восстанавливают. Одной из таких точек следует назвать вход телевизионного модулятора, переносящего ПЦТВ в область высоких частот. Как влияет постоянная составляющая телевизионного видеосигнала на качество модуляции, эскизно иллюстрирует рис. 3.

Модуляторами для маломощных формирователей телевизионных радиосигналов часто служат устройства, сопротивление которых токам высокой частоты зависит от значения напряжения на управляющем входе. Типичная модуляционная характеристика такого устройства показана на рис. 3,а. Для неискаженной передачи сигналов изображения модулирующее напряжение не должно выходить за пределы линейного участка характеристики. При этом огибающая радиосигнала (ВЧ заполнение не нарисовано) будет иметь вид, изображенный на рис. 3,б. Согласно ГОСТ 18471-83, ГОСТ 21879-76, определяющим параметры трактов и сигналов вещательного телевидения, уровни радиосигнала изображения должны быть следующие:

1) соответствующий синхроимпульсам (максимальный уровень несущей) - 100 %;

2) соответствующий уровню гашения - 75+2,5 %;

3) соответствующий уровню белого - 155+2 %;

4) минимальный (остаток немодулированной несущей) - 75+2 %.

Эти требования - довольно жесткие, и выдержать их при долговременной работе аппаратуры в различных внешних условиях непросто. Об остроте проблемы свидетельствует опыт работы многих малобюджетных региональных и местных телекомпаний, качество сигналов которых далеко не всегда соответствует требованиям стандартов (когда нет денег на контрольно-измерительное оборудование, трудно говорить о качестве вещания).

Уровень постоянной составляющей реального сигнала изображения меняется в довольно широких пределах. Без постоянной составляющей он будет воспроизводиться на экране кинескопа с искажениями яркости фона и перепадов яркости между крупными деталями (вместо белых деталей будут серые и т. п.). Для их устранения применяют специальные устройства-восстановители постоянной составляющей (ВПС) или, по-другому, фиксаторы уровня (CLAMPING).

ВПС бывают двух типов - неуправляемые (с применением пикового диодного детектора) и управляемые (с использованием генератора импульсов фиксации). Неуправляемые фиксаторы уровня обладают меньшей точностью восстановления постоянной составляющей и, самое главное, низкой температурной и долговременной стабильностью, т. е. при изменении температуры и старении рабочая точка (в нашем случае модулятора) перемещается по модуляционной характеристике (рис. 3,а). При дрейфе рабочей точки вправо синхроимпульсы телевизионного сигнала попадают на верхний нелинейный участок характеристики. В результате в радиосигнале синхроимпульсы "сплющиваются", что приводит в приемнике к срыву синхронизации, особенно кадровой (подергивание изображения по вертикали). В случае дрейфа рабочей точки влево уровень белого в сигнале оказывается на нижнем нелинейном участке характеристики, а на изображении появляется "негатив" и цветные ореолы вокруг объектов. В обоих случаях к тому же резко увеличивается уровень внеполосных излучений и комбинационных помех.

У управляемых ВПС указанные недостатки отсутствуют, но они существенно сложнее. Области применения управляемых ВПС: многоканальные формирователи телевизионных сигналов, генераторы испытательных сигналов высокой точности, формирователи стандартных телевизионных сигналов, работающие при больших изменениях температуры окружающей среды, и т. п. И вообще, при необходимости получения высококачественного стабильного изображения при стыковке видеоаппаратуры применение управляемых ВПС оказывается весьма полезным.

Разработанный автором фиксатор уровня не содержит дефицитных элементов и может быть повторен радиолюбителями средней квалификации. Его принципиальная схема изображена на рис. 4, а осциллограммы в характерных точках - на рис. 5. Основу ВПС составляет интегральный коммутатор DA2, управляемый генератором импульсов фиксации на микросхемах DA3, DD1.

Приходящий на видеовход ПЦТВ поступает через конденсатор С6 на формирователь строчных синхронизирующих импульсов на микросхеме DA3, представляющий собой упрощенный вариант субмодуля синхронизации телевизоров 3УСЦТ. Положительные импульсы (рис. 5, осц. 2) с вывода 3 этой микросхемы воздействуют на одновибратор временной задержки на триггере DD1.1, запускаемый фронтом каждого импульса. На триггере DD1.2 собран собственно генератор фиксирующих импульсов, запускаемый спадами импульсов генератора задержки (рис. 5, осц. 3 и 4). Импульсы фиксации (рис. 5, осц. 4) по времени расположены на задней площадке строчных импульсов гашения.

Одновременно ПЦТВ через ФНЧ R2C1L1C2R3, служащий для ограничения спектра сигнала, получаемого на выходе ВЧ модулятора, через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, запоминающий конденсатор С5 и ОУ DA1 проходит на выход ВПС для дальнейшей подачи на модулятор или на другие необходимые устройства. Напряжение фиксации (рис. 5, осц. 5) зависит от положения движка подстроечного резистора R15.

В моменты появления фиксирующих импульсов коммутатор на микросхеме DA2 открывается и запоминающий конденсатор С5 быстро заряжается до напряжения, примерно равного напряжению на движке резистора R15. После окончания фиксирующего импульса, т. е. во время активной части каждой строки, постоянное напряжение на правой (по схеме) обкладке конденсатора С5 сохраняется практически неизменным, так как входное сопротивление ОУ DA1 и выходное сопротивление закрытого ключа коммутатора DA2 очень велико (единицы мегаом). Следовательно, напряжение фиксации оказывается независимым от содержания изображения передаваемого сигнала и высокостабильным (определяется параметрами стабилитрона VD2). Его в довольно широких пределах можно изменять подстроечным резистором R15, т. е. обеспечить возможность работы модулятора только на линейном участке модуляционной характеристики.

В фиксаторе уровня оксидные конденсаторы - К50-35 и др., остальные - керамические любых типов, переменные резисторы - СП4-1а и др., герметизированные, постоянные - ОМЛТ-0,125, дроссели - ДМ-0,1. Устройство должно питаться от высокостабильного источника с малыми пульсациями. Печатную плату устройства размещают в экранирующем корпусе и отделяют от ВЧ узлов модулятора экранирующими перегородками.

Цепь R10C21R11 служит для устранения влияния выходного сопротивления открытого ключа коммутатора DA2 на уровень поднесущей цветности, передаваемой во время задних площадок строчных гасящих импульсов при работе в системе SECAM, а также для ограничения спектра радиосигнала модулятора. Резистор R7 включен для устранения возможного самовозбуждения ОУ DA1. Делитель R12R13 (он может отсутствовать) необходим для модуляторов с низким требуемым значением напряжения фиксации (ниже 2 В). Ориентировочное сопротивление резистора R12 - 1...2 кОм. Резистор R13 подбирают для конкретного варианта устройства, на которое нагружен фиксатор. Что касается построения самого модулятора, то можно воспользоваться, например, доработанным вариантом, использованным в приемопередающем устройстве видеомагнитофона "Электроника-ВМ12", описанном в [4]. Доработка сводится к удалению диода VD3 и замыканию конденсатора С24 (рис. 3,б в [4]).

Для настройки ВПС нужны универсальный осциллограф с режимом внешней синхронизации и генератор телевизионных испытательных сигналов. Форму высокочастотных радиосигналов контролируют либо широкополосным осциллографом (С1-75, С1-108), либо, используя блок радиоканала контрольного телевизора, настроенного на требуемую частоту, универсальным осциллографом, который подключают к выходу видеодетектора телевизора.

В первую очередь устанавливают период следования импульсов на выводе 3 микросхемы DA3 (см. рис. 4) равным 64+0,5 мкс. При этом сигнал на вход не подают. Затем, подав на вход ПЦТВ, измеряют длительность импульсов на выводах 1 и 13 микросхемы DD1. При отклонениях от значений, показанных на рис. 5, подбирают резисторы R20 и R21. Далее, подключив к выходу ВЧ модулятора контрольный телевизор или широкополосный осциллограф, подстраивают резисторы R15 и R3 так, чтобы соотношение уровней промодулированного радиосигнала соответствовало градациям сигнала яркости входного ПЦТВ (удобнее это делать с сигналом "Градации серого", без сигналов цветности), ориентируясь на рис. 3

Не менее широко зарубежные фирмы используют ИК с встроенными усилителями. Для них характерно применение однополярного источника питания, непосредственного управления уровнями ТТЛ или КМОП и малое число навесных элементов. В качестве примера можно перечислить микросхемы: LA7026 (фирмы SANYO) - сдвоенный аудио-видео-ИК, LA7016 (SANYO) - видео-ИК, NJM2234L (JRC) - двухканальный аудио-ИК, BA7604N (ROHM) - двухканальный универсальный, М52065FP (MITSUBISHI) - строенный двухканальный широкополосный и др.

Литература

Нефедов А. В., Савченко А. М., Феоктистов Ю. Ф. Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры. Справочник под ред. Ю. Ф. Широкова. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 1-30.
Богданович М. И., Грель И. Н., Дубина С. А., Прохоренко В. А., Шалимо В. В. Цифровые интегральные микросхемы. - Минск: Полымя, 1996, с.312-318.
Петропавловский Ю. Видеотехника формата VHS. Преобразователи числа строк 525/625 в САР видеомагнитофонов. - Радио, 1993, № 7, с. 5-7.
Бондаренко А., Крылов А. Кассетный видеомагнитофон "Электроника-ВМ-12. Приемопередающее устройство.

Автор: Ю.Петропавловский, г.Таганрог

Обсудить на форуме