Основы электроники

Задача выходных каскадов - обеспечить передачу заданной (достаточно большой) мощности сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Коэффициент усиления по напряжению является для выходных каскадов второстепенным параметром. Поэтому основными показателями усилителя являются: коэффициент полезного действия и коэффициент нелинейных искажений К_Г.

Коэффициент полезного действия равен отношению мощности выходного сигнала к мощности, отбираемой от источника питания:

, (6.8)

где I_ВЫХ.m, U_ВЫХ.m - амплитуды выходных величин, Е_П - напряжение источника питания, I_СР= I_ВЫХ.m= I₀ - средний ток.

Коэффициент нелинейных искажений характеризует отличие формы выходного сигнала от формы входного. Это отличие появляется вследствие нелинейности передаточной характеристики каскада. Передаточные характеристики усилительного каскада представляют зависимость выходной величины (I_ВЫХ или U_ВЫХ) от входной (I_ВХ или U_ВХ).

Величины и К_Г во многом определяются режимом покоя транзистора - классом усиления. Поэтому рассмотрим классы усиления, используемые в усилителях мощности.

В зависимости от того, как расположена на передаточной характеристике исходная рабочая точка (точка покоя) различают несколько классов усиления А, В, АВ и др.

В режиме класса А рабочая точка в режиме покоя расположена в середине квазилинейного участка передаточной характеристики (рис. 6.7).

Рис. 6.7.

Нелинейные искажения минимальны (К_Г1 %), так как обе полуволны входного сигнала находятся в пределах квазилинейного участка передаточной характеристики. Из рисунка следует, что ;; тогда, подставляя в (6.8), получим:

, (т.е. 25 %).

В режиме класса В рабочая точка в режиме покоя расположена на границе квазилинейного участка, которая соответствует запертому состоянию транзистора. Транзистор находится в открытом состоянии лишь в течение положительной полуволны сигнала (рис. 6.8).



Рис. 6.8

К_Г в классе В составляет около 70 %. Подставив в формулу (7.1) Е_П и , получим

(т.е. 78 %).

Для уменьшения нелинейных искажений в режиме класса В используются двухтактная схема, состоящая из двух усилителей, один из которых усиливает положительную полуволну, а другой - отрицательную.

Класс АВ занимает промежуточное положение между классами А и В. Он также применяется в двухтактных устройствах. В режиме покоя здесь один транзистор закрыт, а другой лишь приоткрыт, но это позволяет вывести основную часть рабочей полуволны на участок ВАХ с малой нелинейностью. Коэффициент здесь выше, чем в классе А, а К_Г 3 %.

6.5 Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является простейшим выходным каскадом. Повторителями называют усилители с коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице, не меняющие полярность входного сигнала и обладающие повышенным входным и пониженным выходным дифференциальными сопротивлениями.

Классическая схема эмиттерного повторителя показана на рис. 6.9. При постоянном входном напряжении транзистора (режим класса А), в цепи эмиттера протекает постоянный ток, вызывающий падение напряжения на резисторе R_Э. Выходное напряжение U_ВЫХ устанавливается таким, что напряжение база-эмиттер оказывается равно .

Рис. 6.9.

Входной сигнал увеличивает (уменьшает) U_ВХ на величину , что приводит к увеличению (уменьшению) тока эмиттера. В результате выходное напряжение U_ВЫХ возрастет (уменьшится) на . При этом выходное напряжение возрастет почти так же, как входное, а коэффициент усиления по напряжению равен

.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя не отличается от входного сопротивления схемы с общим эмиттером и ООС по току и равно

.

Выходное сопротивление r_ВЫХ вследствие 100 % отрицательной обратной связи (обеспечивается R_Э) уменьшается. Это происходит потому, что всякое увеличение выходного напряжения увеличивает ток эмиттера, а

значит и ток базы, которому противодействует R_Г. Но ток в цепи базы в раз меньше, чем в цепи эмиттера, поэтому выходное сопротивление

.

Если учесть и сопротивление эмиттер - база, то получим

.

В микроэлектронике класс А не используется из-за низкого КПД. Наиболее популярны двухтактные усилители классов В и АВ, к рассмотрению которых мы и переходим.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные характеристики и показатели усилителей и их отличительные особенности ?

2. Что называется обратной связью в усилителях ?

3. Как изменяется коэффициент усиления при введении в схему усилителя отрицательной обратной связи и влияет ли она на стабильность его работы ?

4. Какие классы усиления Вам известны ?

5. Почему при работе усилителя в классе А самый низкий коэффициент полезного действия ?

6. Почему при работе усилителя в классе В появляются значительные искажения формы симметричного сигнала ?

7. Чем класс усиления АВ отличается от класса В и в каких схемах он используется ?

8. Что такое многокаскадный усилитель ?

9. Для чего служат выходные каскады в многокаскадных усилителях ?

ГЛАВА VII. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

7.1 Общие сведения об интегральных микросхемах

Интегральные микросхемы представляют собой качественно новый тип электронных приборов и являются основной элементной базой электронных устройств.

Интегральная микросхема (ИМС) - это совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле, то есть одновременно, на одной и той же несущей конструкции (подложке), и выполняющая определенную функцию преобразования информации.

Основная особенность ИМС состоит в том, что она выполняет сложную функцию и может быть усилителем, триггером, счетчиком, запоминающим устройством и др., тогда как для выполнения той же функции на дискретных элементах требуется собрать соответствующую схему.

Для ИМС присущи два основных признака: конструктивный и технологический. Конструктивный признак заключается в том, что элементы ИМС, расположенные внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединенные и заключенные в общий корпус, представляют собой неразделимое целое. Все или часть элементов и межэлементных соединений ИМС создают в едином технологическом цикле. Отсюда высокая надежность и низкая стоимость интегральных микросхем.

В настоящее время по способу изготовления и получаемой при этом структуре различают три принципиально разных типа ИМС: полупроводниковые, пленочные и гибридные. Каждый тип ИМС отличается конструкцией, степенью интеграции, характеризующей количество элементов и компонентов, входящих в состав микросхемы.

Элементом называют часть ИМС, реализующую функции какого - либо электрорадиоэлемента (транзистор, диод, резистор, конденсатор и др.), которая выполнена конструктивно неотделима от кристалла или подложки.

Компонентом ИМС называется та ее часть, которая выполняет функцию дискретного элемента, но перед монтажом является самостоятельным изделием.

Одним из главных конструктивных признаков ИМС считают тип подложки. По этому признаку ИМС можно разделить на два типа: ИМС на полупроводниковых и диэлектрических подложках.

Среди полупроводниковых материалов в качестве подложек используются кремний и арсенид галлия. Часть или все элементы ИМС расположены внутри самой подложки, выполненной в виде полупроводниковой монокристаллической пластины.

В ИМС с диэлектрической подложкой элементы размещаются на ее поверхности. Основное преимущество микросхем с полупроводниковой подложкой - очень большая степень интеграции элементов, но с ограниченным диапазоном номинальных значений их параметров и необходимость их изоляции друг от друга. Основные преимущества микросхем с диэлектрической подложкой - очень хорошая изоляция элементов, стабильность их свойств, а также возможность более широкого выбора типа элементов и их электрических параметров.

7.2 Пленочные и гибридные микросхемы

Пленочная ИС - это микросхема, элементы которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Пленки создают путем осаждения при низких давлениях различных материалов в виде тонких пленок.

В зависимости от способа нанесения пленки и связанной с этим их толщиной различают тонкопленочные ИС (толщина пленки до 1 - 2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10 - 20 мкм и выше).

В настоящее время не существует стабильных пленочных диодов и транзисторов, поэтому пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т.п.).

Гибридная ИС (или ГИС) - это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и дискретных активных элементов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты называют навесными. Активные элементы для гибридных ИМС являются бескорпусными, либо в миниатюрных металлических корпусах.

Основные преимущества гибридных интегральных микросхем: возможность создания широкого класса цифровых и аналоговых микросхем при сравнительно коротком времени их разработки; возможность получения пассивных элементов широкой номенклатуры; МДП - приборы диодные и транзисторные матрицы и высокий процент выхода годных микросхем.

7.3 Полупроводниковые ИМС

По типу используемого транзистора полупроводниковые ИМС принято подразделять на биполярные и МДП ИМС. Кроме того, в последнее время все большее значение приобретают ИМС, построенные на полевых транзисторах с управляющим переходом. К этому классу относятся ИМС на арсениде галлия, полевые транзисторы с затвором в виде диода Шоттки. В настоящее время намечается тенденция к построению ИМС, где одновременно будут использоваться и биполярные транзисторы, и полевые транзисторы.

Технология полупроводниковых ИС обоих классов основана на легировании (внесении) полупроводникового кристалла поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом проводимости, то есть транзисторная структура n-p-n или p-n-p типа. Размеры одного транзистора составляют всего несколько микрометров. Изоляция отдельных элементов может быть осуществлена либо р-n- переходом, либо диэлектрической пленкой. Транзисторная структура используется не только для создания транзистора, но и всех других элементов (диоды, резисторы, конденсаторы).

Помимо биполярных транзисторов в микроэлектронике применяют многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы.

Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ) имеют один коллектор и несколько (до 8 - 10 и более) эмиттеров, объединенных одним общим базовым слоем. Они используются для создания схем транзисторно- транзисторной логики (ТТЛ).

Структура многоколлекторного транзистора такая же, как и структура МЭТ, но используется для создания логических схем с инжекционным питанием, называемых схемами интегральной инжекционной логики (И²Л).

Диоды. Диоды содержат один р-n- переход. Но в биполярных ИМС основной структурой является транзисторная, поэтому диоды получают путем диодного включения транзисторов. Возможны пять вариантов таких включений. Если для создания диода используется р-n- переход эмиттер - база, то р-n- переход коллектор - база должен быть замкнут.

Резисторы. В биполярных ИМС для создания резисторов используют одну из областей биполярной транзисторной структуры: эмиттерную, базовую или коллекторную. На основе эмиттерных областей получают резисторы с малым сопротивлением. Наибольшим сопротивлением обладают резисторы, выполненные на основе слоя базы.

Конденсаторы. В биполярных ИМС применяют конденсаторы на основе р-n- переходов, смещенных в обратном направлении. Формирование конденсаторов производится в едином технологическом цикле одновременно с изготовлением транзисторов и резисторов, что не требует дополнительных технологических операций их изготовления.

МДП-транзисторы. В ИМС в основном применяют МДП- транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Канал транзисторов может быть и р- и n-типа. МДП-транзисторы используют не только в качестве транзисторов, но и как резисторы и конденсаторы, то есть все схемные функции, реализуются на одних МДП - структурах. Если в качестве диэлектрика используют SiO₂, тогда эти транзисторы называют МОП-транзисторами. При изготовлении МДП - структур отсутствуют операции по изоляции элементов друг от друга, так как истоки и стоки смежных транзисторов разделены встречновключенными р-n- переходами. Поэтому МДП - транзисторы можно располагать близко друг к другу, что обеспечивает большую плотность компоновки.

Биполярные и МДП ИМС изготовляют по планарной или планарно - эпитаксиальной технологии.

В планарной технологии при изготовлении n-р-n транзисторных структур в отдельные участки полупроводниковой пластины р-типа проводится локальное легирование примесей через специальные маски с отверстиями. Роль маски играет пленка двуокиси кремния SiO₂, покрывающая поверхность пластины. В этой пленке специальными методами (фотолитография) формируются отверстия, называемые окнами. Примеси вводятся путем диффузии (перемещение атомов примеси в полупроводниковую подложку под действием градиента их концентрации при высокой температуре), либо ионным легированием. При ионном легировании ионы примеси, получаемые из специальных источников, ускоряются и фокусируются в электрическом поле, попадают на подложку и внедряются в поверхностный слой полупроводника.

Пример структуры биполярной полупроводниковой ИМС, изготовленной по планарной технологии, и ее эквивалентная электрическая схема показаны на рис. 7.1 а, б.

На одной подложке диаметром 76 мм групповым методом одновременно можно создать до 5000 микросхем, каждая из которых может содержать от 10 до 20000 элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов). На пластине диаметром до 120 мм размещаются десятки миллионов элементов.

Современные ИМС изготовляются по планарно-эпитаксиальной сплавной технологии. Эта технология отличается от планарной тем, что все элементы создаются в эпитаксиальном слое кремния n-типа, выращенном на подложке р-типа. Эпитаксией называют ориентированный рост слоя, кристаллическая решетка которого повторяет структуру подложки.

а) б)

Рис. 7.1

Транзисторы, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии, более экономичны, а также обладают улучшенными параметрами и характеристиками по сравнению с планарными.

Для этого в подложку перед эпитаксией вводится n⁺-слой, показанный на рис. 7.2. В этом случае ток через транзистор идет через низкоомный n⁺-слой, а не через высокоомное сопротивление тела коллектора.

Рис. 7.2.

Для электрического соединения различных элементов микросхем применяется металлизация. В процессе металлизации образуются тонкие металлические пленки из золота, серебра, хрома или алюминия. В кремниевых ИМС для создания металлизации наибольшее применение нашел алюминий.

По схемотехническим признакам микросхемы делятся на два класса.

Основной функцией, выполняемой ИМС, является обработка (преобразование) информации, заданной в виде электрического сигнала: напряжения или тока. Электрические сигналы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой) или дискретной (цифровой) форме.

Поэтому микросхемы, выполняющие обработку аналоговой информации, называются аналоговыми интегральными схемами (АИС), а цифровой информации - цифровыми интегральными схемами (ЦИС).

В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи (вентили). Ключи характерны двумя устойчивыми состояниями: разомкнутым и замкнутым. На основе простейших ключей строятся более сложные схемы: логические, бистабильные, триггерные (спусковые), шифраторные, компараторы и другие, применяемые главным образом в вычислительной технике. Они выполняют функции приема, хранения, обработки и выдачи информации, представленной в цифровой форме.

Уровень сложности интегральных микросхем характеризуется степенью компонентной интеграции, которая для цифровых ИМС характеризуется числом логических вентилей, содержащихся на кристалле.

ИМС с числом вентилей менее 100 относятся к ИМС малой степени интеграции. Средние (СИС) содержат порядка 10², большие (БИС) -10²10⁵, сверхбольшие (СБИС) - 10⁵10⁷ и ультрабольшие (УСБИС) - свыше 10⁷ вентилей. Эта классификация часто распространяется и на аналоговые микросхемы.

Контрольные вопросы

1. Что такое интегральная микросхема (ИМС) ?

2. Какова основная особенность ИМС ?

3. Что называется элементом и компонентом ИМС ?

4. В чем отличия пленочных, гибридных и полупроводниковых ИМС ?

5. Почему транзисторная структура служит основой изготовления различных элементов ИМС ?

6. Каким образом происходит изоляция элементов интегральной микросхемы ?

7. Чем отличаются транзисторы, изготовленные по планарной и планарно - эпитаксиальной технологии ?

8. Как определяется степень сложности (степень интеграции) цифровых и аналоговых ИМС ?

9. Какие сигналы преобразуются в аналоговых, а какие в цифровых интегральных микросхемах ?

ГЛАВА VIII. СХЕМОТЕХНИКА УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

8.1 Основные параметры и характеристики усилителей

Усилители постоянного тока, широкополосные и избирательные усилители являются элементной базой аналоговой микроэлектронной аппаратуры.

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью транзисторов за счет потребления энергии от источника питания. В любом усилителе входной сигнал лишь управляет передачей энергии от источника питания в нагрузку.

Для характеристики усилительных свойств используются коэффициент усиления по напряжению , по току или по мощности . Для усилителей возможны различные значения коэффициентов усиления, но всегда.

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах (дБ) равен . Если коэффициент усиления многокаскадного усилителя выражен в дБ, то общее усиление многокаскадного усилителя равно сумме коэффициентов усиления каскадов.

KU, дБ	0	1	2	3	10	20	40	60	80
KU	1	1,12	1,26	1,41	3,16	10	102	103	104

Усилитель характеризуется своими входным и выходным сопротивлениями, а источник входного сигнала - ЭДС Е_Г и внутренним сопротивлением .

Если в усилителе , то источник сигнала на входе усилителя развивает напряжение, близкое к Е_Г. Такой режим называют потенциальным входом, а сам усилитель является усилителем напряжения. Если <<, выходное напряжение и мощность источника сигнала пренебрежимо мало. Такой режим называется токовым входом, а усилитель называется усилителем тока. В усилителе мощности , то есть вход согласован с источником входного сигнала.

По соотношению между величинами и сопротивлением нагрузки усилители можно разделить на усилители напряжения (<<), усилители тока (>>) и усилители мощности ().

Кроме того, параметром усилителя постоянного тока является дрейф нуля - изменение режима работы элементов усилителя под действием дестабилизирующих факторов (колебания напряжения источника питания, температуры и другие), в результате чего на выходе усилителя появляется ложный сигнал.

На практике усилитель помимо усиления сигнала изменяет его форму. Отклонение форм выходного и входного сигналов принято называть искажениями. Они бывают двух видов: нелинейные и линейные.

Все усилители содержат транзисторы, вольтамперная характеристика (ВАХ) которых нелинейная. Так, ВАХ биполярного транзистора имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Поэтому, например, при усилении сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не будет частично синусоидальным. В спектре выходного сигнала появляется компоненты (гармоники) с другими частотами, которые отсутствовали во входном сигнале. Искажения такого вида называются нелинейными.

Аналитическая оценка нелинейных искажений может быть проведена, если передаточная характеристика усилителя задана в виде математической функции. Передаточная характеристика (рис. 8.1) представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитудного значения входного сигнала неизменной частоты. Чаще коэффициент нелинейных искажений оценивают графически по известной передаточной характеристике.

При небольших напряжениях передаточная характеристика практически линейна. Если угол наклона характеристики с ростом напряжения изменяется, то это указывает на появление искажения формы сигнала.

Линейные искажения определяются зависимостью параметров транзисторов от частоты. Частотные свойства усилителя определяются амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ). АЧХ представляет собой зависимость коэффициента усиления по частоте. Идеальной АЧХ является горизонтальная линия. Реальная же АЧХ имеет спадающие участки. На рис. 8.2 приведена нормированная АЧХ , где К₀ - номинальный коэффициент усиления, то есть коэффициент усиления в области частот, где он постоянен. Обычно допустимые величины коэффициентов частотных искажений не превышает 3 дБ. Величину называют полосой пропускания усилителя.



Рис. 8.1. Рис. 8.2.

Усилителями постоянного тока называют устройства, предназначенные для усиления не только переменных, но и постоянных составляющих напряжения и тока. Низкая рабочая частота таких усилителей нулевая (=0), а верхняя вплоть до очень высокой ( - несколько десятков МГц). Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием сигнала и другие).

Интегральные широкополосные усилители усиливают сигналы в широком диапазоне частот от заданной нижней граничной частоты до некоторой верхней граничной частоты . Основным требованием к широкополосным усилителям является обеспечение равномерного усиления входного сигнала в диапазоне частот от до с заданным коэффициентом усиления. При этом уменьшение модуля коэффициента усиления от до не должно превышать 3 дБ (=0,7). Частота может достигать нескольких сотен мегагерц.

Избирательными усилителями (фильтрами) называют усилители, которые из совокупности принимаемых сигналов выбирают и усиливают только синусоидальные сигналы с определенными спектром частот. Избирательные усилители обладают особой формой АЧХ.

Полоса частот, в которой осуществляется усиление сигнала, называют полосой пропускания. Полосу частот, в которой сигналы подавляются, называют полосой заграждения. В зависимости от взаимного расположения полос пропускания и заграждения различают следующие виды избирательных усилителей: нижних частот, верхних частот, полосовые пропускания, полосовые заграждения. Фильтры реализуются на базе RC - цепей и активных элементов. Поэтому такие фильтры называют активными.

8.2 Комплементарный эмиттерный повторитель

На рис. 8.3 показана простейшая двухтактная схема выходного каскада класса В, выполненная на комплементарных транзисторах: VT1 - транзистор n-p-n типа и VT2 - транзистор p-n-р типа. Нагрузка включается в эмиттерную цепь транзисторов, следовательно, они работают в режиме повторителей напряжения. Усиление мощности обусловлено усилением тока. Особо обратим внимание на использование двухполярного питания (два напряжения питания +Е_П и - Е_П). Поэтому в

Рис. 8.3 Рис. 8.4

режиме покоя оба транзистора заперты, поскольку напряжения на эмиттерных переходах равны нулю. Следовательно, в режиме покоя схема не потребляет энергии.

При подаче на вход положительной полуволны открывается транзистор VT1 и через нагрузку потечет ток в направлении стрелки 1. Во время отрицательной полуволны открыт p-n-р транзистор и ток протекает по стрелке 2. Коэффициент усиления мощности примерно равен отношению эмиттерного и базового токов ( то есть).

Однако, будучи усилителем класса В, схема обладает большим коэффициентом нелинейных искажений К_Г>10 %. Для устранения этого недостатка усилитель усложняют, вводя индивидуальные смещения на базы транзисторов с помощью резисторов R1 и R2, а также диодов VD1 и VD2 (рис. 8.4). В результате исходная рабочая точка располагается в области, когда оба транзистора приоткрыты (режим АВ), но через них протекает ток значительно меньший, чем в классе А.

8.3 Усилители на основе балансных схем

Улучшение характеристик широкополосных усилителей в интегральном исполнении удается путем каскадирования одиночных каскадов, охваченных цепью отрицательной обратной связи. В тоже время существенное улучшение характеристик усилителей было достигнуто в усилителях, построенных на основе балансных схем.

В качестве входного каскада такого типа усилителей используют простейшие схемы балансного типа - дифференциальные (параллельно - балансные или разностные) усилители. Их отличает высокая стабильность работы и малый дрейф нуля.

Принцип работы балансной схемы можно пояснить на примере четырехплечего моста (рис. 8.5) .

Если выполнено условие балансировки моста, то есть , то в нагрузочном сопротивлении R_Н ток и соответственно напряжение равны нулю. Баланс не нарушится и в том случае, если будут изменяться напряжение Е_П и сопротивление резисторов плеч моста, но при условии, что соотношение между сопротивлениями резисторов сохраняется.

В усилительных каскадах на одном транзисторе в коллекторной (эмиттерной) нагрузке выделяется напряжение, не зависящее от сигнала. Оно изменяется при колебаниях напряжения питания, изменения токов транзистора из-за нагрева и многих других факторов и тем самым снижает стабильность параметров усилительного устройства.

Рис. 8.5

Улучшение динамических характеристик дифференциального усилителя по сравнению с элементарными усилительными каскадами происходит также за счет стабилизации режима его работы генератором стабильного тока.

8.4 Генератор стабильного тока

Генератор или источник стабильного тока (ГСТ) является электронным эквивалентом резистора большого номинала. При этом сопротивление ГСТ должно быть намного больше максимально возможного сопротивления, включенной последовательно с ним, нагрузки R_Н. В этом случае ГСТ обеспечит в нагрузке протекание тока, величина которого не зависит от ее сопротивления и дестабилизирующих факторов. Ясно, что реализация резистора с сопротивлением в единицы МОм в интегральных схемах невозможна.

На рис. 8.6 а приведена принципиальная схема ГСТ. Здесь элемент Н символизирует нелинейную нагрузку, Е1 - источник стабилизированного напряжения. Резистор R0, а также транзистор VT1 в диодном включении служат для задания и стабилизации режима покоя транзистора VT2. Рабочая точка для VT2 располагается на пологой части его выходной ВАХ (см. рис. выходные ВАХ в схеме ОБ). В схеме включения с ОБ транзистор обладает очень большим выходным дифференциальным сопротивлением (до единиц мегаОм). По схеме включения напряжение база - эмиттер U_БЭ обоих транзисторов одинаковы. Ток I_Б2 в сотни раз меньше тока эмиттера I_Э2. Пренебрегая им, получим, что I_Э1 равен I_Э2, а I₂= I₁. Следовательно



а) б)

Рис. 8.6

выходной ток I₂ повторяет или отражает ток I₁. Так как ток I₂ практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе транзистора VT2, то при изменении напряжения Е2 или сопротивления нагрузки R_Н величина I₂ остается практически постоянной.

Выходным током I₂ можно управлять, меняя входной ток I₁. Для этого в эмиттерные цепи транзисторов включаются резисторы R1 и R2. Такое устройство называется активным трансформатором тока (рис. 8.6 б). Из рис. 8.6 б следует равенство:

Если сопротивления R1 и R2 отличаются своим номиналом, то ток I₂ может «отражать» ток I₁ как в «увеличенном», так и в «уменьшенном» масштабе.

8.5 Схема сдвига уровня постоянного напряжения

Интегральные усилители строятся по схемам с непосредственными связями между каскадами. При этом от каскада к каскаду происходит изменение постоянной составляющей сигнала, что вызывает затруднения при разработке последних каскадов. Для устранения указанного явления используются схемы сдвига уровня постоянного напряжения, называемые также трансформаторами уровня. При этом схема сдвига уровня должна по возможности без изменений передать переменную составляющую - сигнал, то есть коэффициент усиления по напряжению 1.

Рис. 8.7

В операционных усилителях сдвиг уровня осуществляется эмиттерным повторителем на транзисторе VT1, в эмиттерную цепь которого включены резистор R1 и генератор стабильного тока на транзисторах VT2 и VT3 (рис. 8.7). Потенциал входа в отсутствии сигнала равен постоянной составляющей выходного напряжения предшествующего каскада. Потенциал выхода схемой сдвига уменьшается на величину . Поскольку ток I_Э1 стабилизирован, то напряжение сдвига постоянно. При любом значении потенциал выхода может быть сделан равным нулю соответствующим подбором отношения . Поскольку динамическое выходное сопротивление ГСТ существенно больше R1, сигнал схемой сдвига почти не ослабляется.

8.6 Дифференциальные усилители

Дифференциальным усилителем (ДУ) называется усилитель с двумя входами, сигнал на выходе которого пропорционален разности входных сигналов.

На рис. 8.8 приведена схема простейшего симметричного ДУ. Усилитель содержит два симметричных плеча, первое из которых состоит из транзистора VT1 и резистора R_К1, а второе образовано транзистором VT2 и резистором R_К2. Начальный режим работы схемы обеспечивается током I_Э, постоянство которого обеспечивается генератором стабильного тока (ГСТ).

Рис. 8.8

Нетрудно убедиться, что схема ДУ аналогична схеме рис. 8.5, если резисторы R2 и R3 заменить транзисторами VT1 и VT2, и считать, R1= R_К1, а R4= R_К2. Если сопротивления R_К1 и R_К2 равны друг другу, а транзисторы VT1 и VT2 с идентичными параметрами, то схема симметрична.

На практике можно использовать любую их четырех схем включения: симметричный вход и выход, симметричный вход и несимметричный выход, несимметричный вход и симметричный выход, несимметричный вход и выход. При симметричном входе источник входного сигнала подключается между входами ДУ (между базами транзисторов). При симметричном выходе сопротивление нагрузки подключается между выходами ДУ (между коллекторами транзисторов).

Отметим, что питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу. Питание от двухполярного источника позволяет снизить потенциалы баз транзисторов в режиме покоя до общей шины. Это дает возможность подавать сигналы на входы ДУ без введения дополнительных схем сдвига уровня.

При идеальной симметрии обоих плеч в отсутствии входных сигналов (=0, =0) коллекторные токи и потенциалы коллекторов транзисторов будут одинаковы, а выходное напряжение =0. Поскольку схема симметрична, всякое изменение характеристик транзистора независимо от причин, вызывающих эти изменения, вызывает одинаковое изменение токов в обоих плечах. Поэтому разбаланса схемы не произойдет и дрейф выходного напряжения будет практически равен нулю.

Подача на оба входа ДУ сигналов с одинаковой фазой и амплитудами (синфазные сигналы) =, вследствие симметрии плеч и наличия ГСТ не вызовет изменения коллекторных токов и они останутся неизменными и равными:

где - коэффициент передачи тока эмиттера.

Следовательно, потенциалы коллекторов остаются равными, а . Это значит, что идеальный ДУ не реагирует на синфазные входные сигналы.

Если входные сигналы одинаковы по амплитуде, но с противоположными фазами, их называют дифференциальными. За счет действия дифференциального сигнала ток одного плеча увеличивается за счет уменьшения тока другого плеча , т.к. сумма токов всегда равна . Потенциал коллектора одного транзистора уменьшается, а другого увеличивается на одно и то же значение. На выходе ДУ появится разность потенциалов, а следовательно, выходное напряжение .

Используя результаты анализа усилителя на транзисторе с общим эмиттером, получим величину коэффициента усиления дифференциального сигнала (симметричные вход и выход)

В идеальных ДУ за счет подавления синфазного сигнала дрейф нуля не существует. Синфазными сигналами являются всякого рода температурные изменения, помехи и наводки. В реальных ДУ абсолютная симметрия плеч ДУ невозможна, поэтому дрейф нуля существует, но он очень незначителен. При дифференциальном входе, то есть при симметричном входе, входное сопротивление ДУ будет равно сумме входных сопротивлений левой и правой части схемы , поскольку указанные сопротивления включены по отношению к источнику сигнала последовательно. Таким образом , где - входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Величина зависит от тока покоя I_Б транзистора. Поэтому для увеличения входного сопротивления следует использовать усилитель в режиме малых токов.

Коэффициент усиления дифференциального усилителя зависит от способа подключения генератора входного сигнала и снятия выходного сигнала.

Коэффициент усиления ДУ один и тот же, как при симметричном, так и несимметричном входе.

При несимметричном выходе сопротивление нагрузки подключается одним концом к коллектору одного транзистора, а другим - к общей шине. В этом случае К_U оказывается в 2 раза меньше, чем при симметричном выходе.

Рис. 8.9

Пусть сопротивления нагрузки включено между выходом 2 и общей шиной. Если входной сигнал подать на вход 1, то выходной сигнал по фазе совпадает с входным сигналом. В этом случае входу 1 присваивается название «неинвертирующий» вход. Если входной сигнал подать на вход 2, то фаза выходного и входного сигналов противоположны и вход 2 называют «инвертирующим».

Входное сопротивление дифференциального усилителя может быть существенно увеличено при использовании полевых транзисторов, имеющих малые входные токи. При этом предпочтение отдается полевым транзисторам с управляющим р-n- переходом. Схема ДУ на транзисторах с управляющим р - n- переходом и каналом n - типа приведена на рис. 8.9. Генератор стабильного тока выполнен на VT3 и R_И. Резисторы R_СМ1 и R_СМ2 предназначены для задания начального смещения на затворах транзисторов VT1 и VT2.

8.7 Операционные усилители

Общие сведения. Операционным усилителем (ОУ) является усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления по напряжению (10⁴ч10⁶), высоким входным (10⁴10⁷ Ом) и низким выходным (0,1ч1 кОм) сопротивлениями. ОУ имеет два входа и один выход. В зависимости от полярности сигналов на выходе и входе один из входов называется инвертирующим (отмечается знаком «-»), а другой - неинвертирующим (отмечается знаком «+»).

Условное обозначение ОУ показано на рис. 8.10 а, б. Питание осуществляется от двух источников, напряжение которых одинаковы, но знаки относительно заземленной точки разные. Этим обеспечивается нулевой потенциал на выходе в отсутствии входного сигнала и возможность получить выходной сигнал как положительной, так и отрицательной полярности. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3 В ч ±18 В. Сигнал можно подавать от симметричного источника сигнала, соединенного с общей шиной, на вход 1 и вход 2, либо от двух отдельных источников, один из которых подключают к инвертирующему входу и общей шине, другой - к неинвертирующему и общей шиной.

а) б)

Рис. 8.10

ОУ практически всегда охвачен цепями обратной связи. В зависимости от вида цепи обратной связи ОУ может выполнять различные операции над аналоговыми сигналами. К таким операциям относятся суммирование, интегрирование, дифференцирование, сравнение, логарифмирование и др., отсюда произошло название этих усилителей - операционные.

ОУ является идеальным усилительным элементом и составляет основу всей аналоговой электроники. ОУ, имея достаточно сложную структуру, выполняется на одном кристалле и выпускается в массовом количестве. Поэтому ОУ можно рассматривать в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований, выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы.

Для получения большого усиления ОУ строятся на основе двух- или трехкаскадных усилителей постоянного тока.

На рис. 8.11 приведена структура трехкаскадного ОУ



Рис. 8.11

В качестве входного каскада ОУ используется дифференциальный усилительный каскад, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое усиление. Им определяется высокое входное сопротивление усилителя, чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига. Промежуточные (согласующие) каскады обеспечивают необходимое усиление и уменьшают напряжение сдвига на выходе дифференциального усилителя до близкого к нулю значения. В промежуточных каскадах используются как дифференциальные, так и однотактные каскады усиления. Выходной каскад должен обеспечивать низкое выходное сопротивление ОУ и достаточную выходную мощность. В качестве выходных каскадов обычно используется комплементарный эмиттерный повторитель, работающий в режиме АВ (см. рис. 8.4).

Операционные усилители первого поколения, например 140УД1А, строились по трехкаскадной структурной схеме на транзисторах n-p-n. Первый усилительный каскад представляет классический дифференциальный усилитель (см. рис. ДУ) с ГСТ в эмиттерной и резисторами в коллекторной цепи. Второй каскад также построен по дифференциальной схеме, но без использования ГСТ. Выходной каскад работает в режиме класса А, то есть представляет собой эмиттерный повторитель. Основной недостаток данных операционных усилителей заключается в относительно небольшом коэффициенте усиления (К_U0=300ч4000) и низком входном сопротивлении (R_ВХ4 кОм).

Указанные недостатки устранены в ОУ второго поколения, которые строятся по двухкаскадной схеме. Улучшение характеристик достигнуто за счет применения составных транзисторов, высокоомных резисторов и замены резисторных нагрузок дифференциальных каскадов динамическими. В ряде случаев ОУ второго поколения выполняются на полевых транзисторах, что позволяет значительно увеличить входное сопротивление.

Типичным двухкаскадным ОУ является усилитель типа 140УД7. Коэффициент усиления этого ОУ составляет К_U0=45000, а R_ВХ= 400 кОм.

В справочной литературе К_U0, R_ВХ и R_ВЫХ приводятся для ОУ без цепей ООС. Выходную цепь ОУ представляют также такие параметры, как максимальный выходной ток (I_ВЫХ,max 20 мА у быстродействующих широкополосных ОУ и I_ВЫХ,max 500 мА у мощных ОУ) и минимальное сопротивление нагрузки (R_H.min 1 кОм).

Одними из важнейших характеристик ОУ являются его амплитудные (передаточные) характеристики. Они представлены на рис. 8.12. Рабочим участком является наклонный (линейный) участок характеристик, угол наклона которого определяется значением К_U0. U_ВЫХ,max - максимальное выходное напряжение, которое обычно ненамного меньше напряжения питания Е_П.

Частотные свойства ОУ представляются его АЧХ, при построении которой К_U0 приводится в дБ, а частота откладывается по горизонтальной оси в логарифмическом масштабе.



Рис. 8.12

Такую АЧХ ОУ принято называть логарифмической амплитудно - частотной характеристикой (ЛАЧХ). На рис.8.13 приведена типовая ЛАЧХ для быстродействующего ОУ К140УД10. При частотах меньше f_В коэффициент усиления равен 20 lg К_U0, то есть ЛАЧХ представляет собой прямую линию, параллельную оси частот. С повышением входного сигнала К_U0 начнет уменьшаться и при частоте f₁ коэффициент усиления равен единице.

Рис. 8.13

Основные схемы включения ОУ. ОУ почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью в виде линейных и нелинейных цепей. Свойства ООС позволяют создавать на основе ОУ различные аналоговые и импульсные электронные устройства.

Для уяснения принципов действия таких схем и приближенного их анализа вводится понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ имеет следующие свойства:

а) бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению К_U0;

б) нулевое напряжение смещения нуля U_СМ, то есть при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю; следовательно, потенциалы входов ОУ всегда равны;

в) нулевые входные токи;

г) нулевое выходное сопротивление;

д) коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.

Дифференциальное включение ОУ. На рис. 8.14 приведена схема дифференциального включения ОУ. По правилу Кирхгофа . Вследствие свойства в) , то .

; ;

;



Рис. 8.14

Вследствие свойства б) . Отсюда .

Таким образом, при дифференциальном включении ОУ это устройство является вычитателем - усилителем.

Инвертирующее включение ОУ. При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 8.15). вследствие свойства в) . Потенциал входов равен нулю, следовательно

;;

Для реального ОУ использование этой формулы приводит к появлению погрешностей в расчете коэффициента усиления. Чем больше в ОУ К_U0 и R_ВХ0, тем меньшую погрешность дает использование этой формулы. Так, при К_U0=10³, R₁=1 кОм, R₂=100 кОм и R_ВХ0=10 кОм погрешность в определении К составит примерно 9 %, а при К_U0=10⁵ (остальные параметры те же) - меньше 0,1 %.

Выходное напряжение усилителя находится в противофазе к входному. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы и совершенно стабилен.

Неинвертирующее включение УО. При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на

Рис. 8.15

инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂ поступает сигнал обратной связи с выхода усилителя (рис. 8.16).



Рис. 8.16

, .

Откуда , т.е. .

Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных интегральных микросхем, содержащих по несколько усилителей в одном корпусе.

В повторителе реализуется максимальное входное и минимальное выходное сопротивления для используемого типа ОУ. Повторитель на ОУ, как и любой другой повторитель (эмиттерный или истоковый), используется как согласующий каскад.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются выходные каскады, построенные на простейшем и комплементарном эмиттерных повторителях ?

2. Приведите определения усилителей постоянного тока, широкополосных и избирательных усилителей.

3. Какими параметрами оцениваются частотные свойства усилителей ?

4. Что такое дрейф усилителя, чем он вызывается ?

5. Для чего служат схемы сдвига уровней напряжения в усилительных каскадах ?

6. Что такое дифференциальный усилитель ?

7. Для чего в схему дифференциального усилителя вводится генератор стабильного тока ?

8. Какие напряжения являются синфазными ?

9.Каким входом ДУ присваивают названия «инвертирующий» и «неинвертирующий» ?

10. Для чего в ДУ применяется двухполярный источник питания ?

11. Что называется ОУ ?

12. Каковы основные функциональные узлы ОУ ?

13. Дайте определение идеального ОУ.

14. Приведите три схемы включения ОУ.

ГЛАВА IX. СХЕМОТЕХНИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

9.1 Основы цифровой техники

В современной вычислительной технике решающую роль играют цифровые методы обработки информации. Цифровые полупроводниковые ИМС являются элементной базой устройств и систем вычислительной техники. Исходные данные, результаты и другая информация, перерабатываемая вычислительными машинами, представляется в них в виде электрических сигналов, принимающих только два значения (двоичная система счисления).

Для перевода аналоговой информации в цифровую форму ее квантуют, то есть непрерывный сигнал заменяют его дискретными значениями в отдельных точках. Затем конечному числу дискретных значений исходного сигнала ставится в соответствие некоторое число. Процесс замены дискретных уровней сигнала последовательностью чисел носит называется кодированием, а совокупность полученных чисел - кодом сигнала.

В двоичном счислении любое число можно представить двумя цифрами: 0 и 1. Для представления этих чисел в цифровых системах достаточно иметь электронные схемы, которые могут принимать два состояния, четко различающиеся значением какой-либо электрической величины - напряжения или тока. Одному из значений этой величины соответствует цифра 0, другому - 1. Относительная простота создания электрических схем с двумя электрическими состояниями и привела к тому, что современная цифровая техника построена на двоичном представлении чисел.

Для описания алгоритмов работы цифровых устройств применяется булева алгебра или алгебра логики. В рамках алгебры логики входным, выходным и внутренним узлам цифровой схемы ставятся в соответствие булевы переменные, которые могут принимать только два значения:

Х=0 если Х 1;Х=1 если Х 0.

Основными операциями булевой алгебры являются операции логического сложения, умножения и отрицания.

Логическое сложение. Эту операцию называют операцией ИЛИ или дизъюнкцией. Постулаты логического сложения двух переменных приведены в таблице 9.1.

Такие таблицы называют таблицами истинности. Следует отметить, что данная операция справедлива для произвольного числа переменных. Число переменных, над которыми выполняется операция, обозначается цифрой, стоящей перед ее обозначением. Следовательно, таблица 9.1 определяет операцию 2ИЛИ. Условное обозначение элемента (электронная схема), выполняющего логическую операцию ИЛИ, приведено на рис. 9.1 а.