Электроника

где Ku – коэффициент усиления по напряжению.

Согласно (12) выходное напряжение ДУ пропорционально разности (дифференту) входных напряжений, с чем и связано происхождение названия такого усилителя.

ДУ обладает рядом ценных свойств, предопределивших его исключительное распространение в АИС. Эти свойства перечислены ниже.

1.В отсутствие Uвх электрический режим ДУ симметричен. Эту симметрию не нарушают главные дестабилизирующие факторы – изменение окружающей температуры и изменение питающего напряжения. В обоих случаях токи плеч изменяются. Но так как плечи одинаковые, изменения тоже одинаковы и симметрия сохраняется.

2.При одинаковых (синфазных) Uвх1 и Uвх2 выходное напряжение остаётся равным нулю, т.е. ДУ нечувствителен к синфазным входным сигналам. Такими сигналами являются многие виды помех.

3.Возможны дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее

включения ДУ, все три используются при построении и применении АИС. На рис. 43а представлено дифференциальное включение, соответствующее (12). На рис. 43б – инвертирующее включение, при котором выходное напряжение противофазно входному. На рис. 43в – неинвертирующее включение, при котором фазы входного и выходного напряжений совпадают.

52

в) Рисунок 43

4. Хотя в инвертирующем и неинвертирующем включениях сигнал подаётся только на один из входов, при этом «работают» оба транзистора ДУ. Так, если в схеме рис. 43б при некотором Uвх1 ток Т1 увеличится, точно на такую же величину уменьшится ток Т2, хотя сигнал на него не подан. Это сдедует из того, что суммарный ток Т1 и Т2 стабилизирован ГСТ и всегда

равен I0.

Реальному ДУ свойственен ряд неидеальностей. Одной из самых существенных является невозможность обеспечения абсолютного равенства параметров элементов ДУ: сопротивлений R, параметров транзисторов. Поэтому у реального ДУ

где Uсм – напряжение смещения, обычно очень небольшое. Аналогичными свойствами обладают ДУ на МДП транзисторах.

5.6. Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) – одна из наиболее распространённых АИС, которая примененяется как самостоятельная ИС, так и в составе ИС с большой степенью интеграции. Широкое применение ОУ обусловлено их исключительной универсальностью. На ОУ могут быть построены разнообразные усилители, фильтры, корректоры АЧХ и ФЧХ,

54

На ОУ переносятся все свойства содержащихся в них ДУ – высокая устойчивость к изменениям температуры и питающих напряжений, возможность различных включений, нечувствительность к синфазным входным сигналам. Основное и уточнённое правило работы такие же, как у ДУ, (12) и (13).

Параметры узлов на ОУ легко изменяются при использовании обратной связи. Обобщённая схема усилителя с обратной связью представлена на рис. 46. Она содержит усилитель с коэффициентом усиления

Рисунок 46

по напряжению Ku, часть выходного сигнала которого возвращается на вход через цепь обратной связи с коэффициентом передачи β. Если обратная связь положительная (ПОС), напряжение обратной связи Uoc во входном сумматоре складывается с входным напряжением Uвх. Если обратная связь отрицательная (ООС), эти напряжения вычитаются. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью Kuoc определяется формулой Блэка:

Здесь знак «+» соответствует ООС, знак «-» соответствует ПОС. На рис. 47 представлены инвертирующая (а) и неинвертирующая (б) схемы на ОУ с ООС. В обоих схемах R1 и R2 образуют делитель напряжения, через который сигнал с выхода передаётся на вход, т.е. осуществляется обратная связь. Очевидно, что в такой цепи β = R1/(R1 + R2).

Согласно (14), в неинвертирующем включении:

55

Следовательно, при достаточно большом усилении ОУ выполняются условия, при которых коэффициент усиления с ООС зависит только от отношения сопротивлений двух резисторов. При изготовлении резисторов по интегральной технологии отношение их сопротивлений и Kuoоc будет точным и стабильным. Таким же будет и коэффициент усиления усилителя с ООС. В инвертирующем включении Kuoоc ≈ R2/R1, т.е. показатели точности и стабильности также будут очень высокими.

ООС имеет огромное значение не только в аналоговой электронике. ООС способна стабилизировать параметры самых разных систем – экономических, социальных, биологических и других. Так, некоторое подобие схемы на рис. 46 поддерживает неизменной температуру тела человека.

Применение ООС в электронных усилителях не только уточняет и стабилизирует усиление, но и уменьшает искажения сигнала, шумы, напряжение смещения Uсм. Всё это достигается ценой уменьшения коэффициента усиления. Последнее можно компенсировать увеличением числа усилительных каскадов (11).

Одно из полезных проявлений действия ООС заключается в возможности расширения полосы частот усилителя, в которой обеспечивается равномерное усиление. На рис. 48 изображена АЧХ ООУ с ООС при различной глубине обратной связи. Полоса пропускания, ограниченная предельной частотой fпр, расширяется во столько же раз, во сколько уменьшается коэффициент усиления.

56

Рисунок 48

Возможность выполнения математических операций над аналоговыми величинами (напряжениями) видна уже из выражения (12), согласно которому при дифференциальном включении осуществляется вычитание Uвх1 из Uвх2. Возможно суммирование и вычитание любого числа напряжений, умножение напряжения на коэффициент Kuoc. В качестве примера на рис. 49 приведена схема суммирования трех напряжений с одновременным умножением результата суммирования на коэффициент ≈ – 0,65.

Рисунок 49

57

На рис. 50 приведена схема интегратора на ОУ. Если поменять местами R и С этой схемы, она превращается в дифференциатор.

Рисунок 50

6.ЭЛЕКТРОНИКА ВИДЕОТЕХНИКИ

6.1.Электроника фото- и видеокамер

Электронные фото- и видеокамеры получили широчайшее распространение. При всем их разнообразии, в основе работы всех их типов лежит использование приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Простейший ПЗС представляет собой цепочку МДП структур, соответствующую обобщенной схеме на рис. 32. Фрагмент такой цепочки изображён на рис. 51а. На затворы МДП структур от схемы управления (контроллера) подаются отрицательные напряжения, которые вызывают обеднение приповерхностного слоя n-полупроводника. Затворы структур очень тонкие и оптически прозрачны. Поэтому концентрация подвижных носителей заряда в обедненном слое зависит не только от напряжения на затворах, но и от освещённости поверхности, поскольку световая энергия вызывает генерацию «дополнительных» электронно-дырочных пар.

Рисунок 51а

58

МДП структуры сближены настолько, что образуют сплошной обеднённный n--слой, через который структуры могут обмениваться носителями зарада (рис. 51б).

Рисунок 51б

Если, например, на затворы 1 и 3 поданы некоторые напряжения -U1, а на затвор 2 большее по модулю напряжение -U2, под затвором 2 образуется более глубокий обеднённый слой с более низкой концентрацией электронов. Потенциал здесь минимален, поэтому эту область можно рассматривать как потенциальную яму. Очевидно, что потенциальная яма способна собирать и удерживать дырки. Благодаря низкой концентрации свободных электронов в

n--слое рекомбинация не уничтожает дырки достаточно долгое время. Заряд дырок в потенциальной яме называется зарядовым пакетом.

Зарядовый пакет можно перемещать вдоль цепочки структур, изменяя напряжения на затворах подобно тому, как перемещается информация в ЗУ последовательного типа (разд. 4.6). В конце цепочки на выходе имеется узел, способный вырабатывать напряжение, пропорциональное величине заряда пакета.

Появление дырок в потенциальной яме обусловлено, главным образом, генерацией n–p-пар под действием света, т.е. заряды пакетов и соответствующие выходные напряжения являются функцией освещенности. Поэтому ПЗС цепочка способна вырабатывать цепочки пакетов, соответствующие строке сфокусированного на неё изображения. Объединение ПЗС цепочек в группу (матрицу) позволяет получить электрические сигналы, соответствующие полноформатному изображению. При этом количество элементов (пикселов) изображения равно количеству МДП структр ПЗС матрицы.

60

Молекулы ЖК в отсутствие поля имеют спиралевидную форму и поэтому изменяют плоскость поляризации проходящего через ЖК света. При определённой толщине и свойствах слоя ЖК изменение плоскости поляризации может составлять 90о.

В таком пикселе имеются два поляризацинных фильтра – внутренний (горизонтальный, 1) и наружный (вертикальный, 2), т.е. отличающиеся поляризацией света на 90о. Входящий в пиксел свет поляризуется фильтром 1 горизонтально. Молекула ЖК в отсутствие поля обеспечивает поляризацию света на 90о. Поэтому свет приобретает вертикальную поляризацию и беспрепятственно проходит наружу через внешний поляризационный фильтр 2. Пиксел «светится». Если на прозрачные электроды 3, 4 подано напряжение, молекулы ЖК «вытягиватся» и перестают изменять поляризацию света. Горизонтально поляризованный свет не проходит через внешний фильтр с вертикальной поляризацией, пиксел не светится. Очевидно, что яркость свечения зависит от силы электрического поля, т.е. от поданного на электроды напряжениея.

Как уже отмечалось, цвет свечения зависит от цвета свечения светодиода. Поэтому каждый элемент изображения может содержать пикселы с красным, зелёным и синим светодиодами (RGB). Их суммарный свет, в зависимости от поданных напряжений, может создавать любой цвет свечения. Этот принцип является основным при содании цветных ЖКД.

Управление свечением пикселов дисплея осуществляется контроллером, способным управлять матрицей ЖКД. Количество пикселов в ЖКД сегодня может достигать десятков миллионов (форматы HD, 4K).

7.ДИСКРЕТНО-АНАЛОГОВЫЕ ИС

7.1.Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Несмотря на преобладающее распространение цифровых методов передачи, обработки и хранения информации, полное исключение аналоговых методов невозможно. Зрение, слух, голос, тактильные ощущения человека «настроены» именно на аналоговые «сигналы». Поэтому аналоговые устройства в современной электронике абсолютно необходимы. Распространены устройства, сочетающие цифровые и аналоговые методы. В частности, отдельный и весьма разнообразный класс образуют дискретноаналоговые ИС. В таких ИС сигналы на входах и выходах могут быть и цифровыми, и аналоговыми.

Типичными задачами, решаемыми дискретно-аналоговыми ИС, являются преобразование цифрового сигнала в аналоговый и обратное преобразование. Первые из них получили название цифро-аналоговые