Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»
Д. Г. Лобов Электронные цепи и микросхемотехника
Конспект лекций
Омск
Издательство ОмГТУ
2010
УДК 621.38
ББК 32.8
Л68
Рецензенты:
Ю. А. Стенькин, канд. хим. наук, старший научный сотрудник Омского филиала института физики полупроводников СО РАН;
С. А. Завьялов, канд. техн. наук, доцент кафедры РТУ и СД ОмГТУ
Лобов, Д. Г.
Л68 Электронные цепи и микросхемотехника: конспект лекций / Д. Г. Лобов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 52 с.
Настоящий конспект лекций разработан в соответствии с требованиями образовательного стандарта ОмГТУ. В нем рассматриваются основные принципы работы и схемотехника типовых аналоговых электронных цепей, применяемых при конструировании радиоэлектронной аппаратуры.
Предназначен для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения специальности 210106 «Промышленная электроника», изучающих дисциплину «Электронные цепи и микросхемотехника».
Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета
УДК 621.38
ББК 32.8
© ГОУ ВПО «Омский государственный
технический университет», 2010
ВВедение
В предлагаемом конспекте лекций приводятся основные принципы работы и схемотехника типовых аналоговых электронных цепей, применяемых при конструировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Большое внимание уделено рассмотрению технических решений на базе аналоговых интегральных микросхем, позволяющих значительно упростить процесс проектирования РЭА.
Настоящий конспект составлен по первой части курса лекций, читаемых автором по дисциплине «Электронные цепи и микросхемотехника» на кафедре «Технологии электронной аппаратуры» Омского государственного технического университета для студентов специальности 210106 «Промышленная электроника».
1. Пассивные элементы электрических цепей: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности Резисторы
Рези́стор – пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, т. е. для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току, проходящему через него:
U(t) = R∙I(t).
На практике резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики [1].
При протекании через резистор тока на нем будет рассеиваться электрическая мощность:
P = U∙I = I2∙R = U2/R.
Условное обозначение резистора приведено на рис. 1.
Рис. 1. Условное обозначение резистора
Резисторы являются элементами электронной аппаратуры и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Дискретные резисторы классифицируются по назначению, виду ВАХ, характеру изменения сопротивления, технологии изготовления.
По назначению:
резисторы общего назначения;
резисторы специального назначения:
высокоомные (сопротивления от десятка МОм до единиц ТОм, рабочие напряжения 100…400 В);
высоковольтные (рабочее напряжение – десятки кВ);
высокочастотные (имеют малые собственные индуктивности и ёмкости, рабочие частоты до сотен МГц);
прецизионные и сверхпрецизионные (повышенная точность, допуск 0,001 – 1 %).
По виду вольт-амперной характеристики:
линейные резисторы;
нелинейные резисторы:
варисторы – сопротивление зависит от приложенного напряжения;
терморезисторы – сопротивление зависит от температуры;
фоторезисторы – сопротивление зависит от освещённости;
тензорезисторы– сопротивление зависит от деформации резистора;
магниторезисторы– сопротивление зависит от величины магнитного поля.
По характеру изменения сопротивления:
постоянные резисторы;
переменные регулировочные резисторы;
переменные подстроечные резисторы.
По технологии изготовления:
Проволочные резисторы. Представляют собой кусок проволоки с высоким удельным сопротивлением, намотанный на какой-либо каркас. Могут иметь значительную паразитную индуктивность. Высокоомные малогабаритные проволочные резисторы иногда изготавливают из микропровода.
Плёночные металлические резисторы. Представляют собой тонкую плёнку металла с высоким удельным сопротивлением, напылённую на керамический сердечник, на концы сердечника надеты металлические колпачки с проволочными выводами. Иногда, для повышения сопротивления, в плёнке прорезается винтовая канавка. Это наиболее распространённый тип резисторов.
Металлофольговые резисторы. В качестве резистивного материала используется тонкая металлическая лента.
Угольные резисторы. Бывают плёночными и объёмными. Используют высокое удельное сопротивление графита.
Интегральные резисторы. Используется сопротивление слаболегированного полупроводника. Эти резисторы могут иметь большую нелинейность вольт-амперной характеристики. В основном используются в составе интегральных микросхем, где применить другие типы резисторов невозможно или не технологично.
Выпускаемые промышленностью резисторы одного и того же номинала имеют разброс сопротивлений. Значение возможного разброса определяется точностью резистора. Выпускают резисторы с точностью 20 %, 10 %, 5 % и т. д., вплоть до 0,01 %. Номиналы резисторов непроизвольны: их значения выбираются из специальных номинальных рядов, наиболее часто из номинальных рядов E6 (20 %), E12 (10 %) или E24 (для резисторов с точностью до 5 %), для более точных резисторов используются более точные ряды (например E48, Е96, Е192).
Сопротивление металлических резисторов зависит от температуры. При этом зависимость от температуры практически линейная:
R = R0(1+α(t – t0)).
Коэффициент α называют температурным коэффициентом сопротивления. Такая зависимость сопротивления от температуры позволяет использовать резисторы в качестве термометров сопротивления. Сопротивление полупроводниковых резисторов может зависеть от температуры сильнее, иногда даже экспоненциально, однако в практическом диапазоне температур эту экспоненциальную зависимость можно заменить линейной.
Даже идеальный резистор при температуре выше абсолютного нуля является источником шума. На высоких частотах преобладает тепловой флуктуационный шум, спектр такого шума равномерный («белый шум»).
Уровень шума реальных резисторов выше. В шуме реальных резисторов также всегда присутствует компонента, интенсивность которой пропорциональна обратной частоте, т. е. 1/f-шум или «розовый шум». Этот шум возникает из-за множества причин, одна из главных – перезарядка ионов примесей, на которых локализованы электроны.
Шумы резисторов возникают за счет прохождения в них тока. В переменных резисторах имеются так называемые «механические» шумы, возникающие при работе подвижных контактов.