Твердотельные приборы и устройства
..pdf
151
рис. 7.11 изображена схема базового инвертора ИС ДТЛ. Устройство содержит Т- образную диодную цепь, вслед за которой размещен транзисторный инвертор.
Рис. 7.11. Схема инвертора типа ДТЛ
Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
Данное семейство ИС, повидимому, не является перспективным для создания СБИС, так как свойственные eмy качества можно реализовать с помощью других устройств, потребляющих меньшую мощность.
Тем не менее данные ИС обладают наибольшим быстродействием среди ИС, работающих в насыщенном режиме. Быстродействие достигается за счет того, что диодная цепь, размещаемая на входе ИС ДТЛ, заменена многоэмиттерным транзистором (рис.7.12).
7.6.Основные типы аналоговых биполярных ИС
Вданном параграфе кратко описаны два типа биполярных ИС, которые используются в аналоговых (линейных) электронных цепях. Это дифференциальные и операционные усилители.
Как входные, так и выходные сигналы аналоговых ИС представляют напряжения, непрерывно изменяющиеся во времени. Входные сигналы амплитудой в несколько микровольт после усиления на выходе могут иметь амплитуду около 1 В.
Дифференциальные усилители
В линейных усилителях необходимо использовать непосредственные связи между отдельными звеньями. По этой причине изменения напряжений смещения по постоянному току усиливаются последующими ступенями, что приводит к появлению на выходе паразитного сигнала. Чтобы свести к минимуму этот эффект, используют дифференциальный усилитель.
152
Дифференциальный усилитель является основным элементом линейных ИС благодаря схемным особенностям, облегчающим процесс его изготовления. Большинство линейных ИС содержит одну или несколько усилительных ступеней такого вида. Примерами могут служить аналоговые вычислительные устройства, детекторы уровня, стабилизаторы напряжения, видеоусилители, аналоговые компараторы и операционные усилители. Дифференциальный усилитель может
пропускать сигналы в широкой |
полосе |
частот, обладает |
высоким |
||||||
|
|
|
коэффициентом |
усиления и |
низким |
||||
|
|
|
уровнем шума. На рис. |
|
|
||||
|
|
|
7.13 |
изображена |
|
|
|||
|
|
|
принципиальная |
|
|
|
|||
|
|
|
схема |
базового |
|
|
|||
|
|
|
дифференциального |
|
|
||||
|
|
|
усилителя, |
|
|
|
|
||
|
|
|
поясняющая |
принцип |
|
|
|||
Рис. 7.13. Схема |
|
|
его |
работы. |
Так |
как |
|
|
|
|
|
рассматриваемая цепь |
|
|
|||||
дифференциальной |
|
|
|
||||||
усилительной ступени |
|
симметрична |
|
|
|
|
|||
|
|
|
относительно |
|
|
Рис. 7.13. Схема |
|||
воображаемой |
прямой, |
проведенной |
между |
||||||
дифференциальной |
|||||||||
транзисторами |
VT1 |
и |
VT2, |
а резисторы Ru |
|||||
усилительной ступени |
|||||||||
коллекторных нагрузок одинаковы, то усилитель |
|||||||||
|
|
||||||||
устойчив на |
всех |
частотах |
независимо |
от |
|
|
|||
температуры. Любые изменения коэффициента передачи; или утечек в усилительном канале транзистора VT1 компенсируются такими же изменениями в усилительном канале транзистора VT2.
Операционные усилители
Эти усилители состоят из нескольких ступеней, причем на входе включен дифференциальный усилитель. Операционные усилители имеют высокий коэффициент усиления, значительное входное и низкое выходное сопротивление. Происхождение термина связано с тем, что в свое время подобные усилители, выполненные на дискретных элементах, использовались в аналоговых вычислительных устройствах, которые проводили математические операции суммирования, умножения, интегрирования, дифференцирования и др. Гибкость применения, а также низкая стоимость обусловили использование данных ИС в качестве основных функциональных блоков линейных цепей, применяемых в измерительных устройствах, автогенераторах, активных фильтрах, линейных усилителях и т. д.
153
Технология изготовления линейных ИС в основном совпадает с планарной технологией, применяемой для производства биполярных
транзисторов. Удается |
реализовать все |
положительные |
качества: |
малые геометрические |
размеры, высокую надежность, низкую стоимость, |
||
слабую температурную зависимость и малый дрейф тока и напряжения.
Рис. 7.14. Схема типичного операционного
усилителя
На рис. 7.14 изображена принципиальная схема типичного операционного усилителя.
Первой ступенью служит дифференциальный усилитель, за ним обычно включены другие дифференциальные ступени соединенные каскадно. Это обеспечивает структурное единообразие и позволяет получать высокие значения коэффициент усиления.
Достоинства операционного усилителя и гибкость его применений проявляются при использовании внешней отрицательной обратной связи.
Так |
как коэффициент усиления самого |
усилителя |
достаточно высок, |
то |
коэффициент передачи устройства, |
охваченного |
петлей обратной |
связи, зависит от характеристик внешних цепей, собранных из дискретных элементов. По этой причине рабочие характеристики системы не зависят от изменения параметров активных элементов, входящих в цепь прямого усиления. Введение отрицательной обратной связи улучшает также стабильность коэффициента усиления, повышает входное и снижает выходное сопротивление, расширяет полосу пропускания и снижает нелинейные искажения.
Рис. 7.15. Упрощенная схема идеального операционного усилителя
154
Условное графическое обозначение операционного усилителя представлено на рис. 7.15. Идеальному операционному усилителю присущи следующие свойства.
1.Коэффициент усиления напряжения со стороны инвертирующего входа положителен.
2.Коэффициент усиления напряжения со стороны инвертирующего входа отрицателен.
3.В частном случае один из входных зажимов усилителя может быть заземлен.
4.Входное сопротивление неограниченно велико. 5.Выходное сопротивление равно нулю.
6.Коэффициент усиления напряжения Ко неограниченно велик.
7.Ширина полосы пропускания бесконечно велика.
8.uвых = K0 uвх.
9.uвых = 0, если uвх неинв = uвх инв
10.Характеристики прибора не зависят от температуры. 11.Ненасыщенное состояние восстанавливается мгновенно.
12.Выходная характеристика линейна и симметрична относительно нулевого уровня.
155
9.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов.- Томск; Издательство научно – технической литературы; 2000.- 425 с.
2.Давыдов В.Н. Твердотельная электроника. Учебное пособие. ТУСУР. Томск. 2005.- 183 с.
3.Легостаев Н.С. Электроника и микроэлектроника. Учебное пособие. ТУСУР. Томск. 1999.- 176 с.
4.Шарапов А.В. Электронные цепи и микросхемотехника. Часть 1. Учебное пособие. ТУСУР. Томск. 1999.- 161 с.
5.Герасимов В.М., Скворцов В.А. Электронные цепи и микросхемотехника. Часть 2. Учебное пособие. ТУСУР. Томск. 1998.- 176 с.
6.Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. М., Энергоатомиздат. 1990.- 576 с.
7.Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полкпроводниковых приборов. М., «Радио и связь». 1990.- 262 с.
8.Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. М., Высшая школа. 1991.- 351 с.
Учебное пособие
Шангин А.С.
Твердотельные приборы и устройства
Усл. печ. л. Препринт Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г.Томск, пр.Ленина, 40