8. Интегральные микросхемы. Виды, технологии.

ЭРЭ – электронный радиоэлемент.

Дискретный ЭРЭ – электронный радиоэлемент выполненный по самостоятельной тех-

нологии в отдельном корпусе.

Функциональный узел – законченная электрическая схема, готовая к выполнению тех

или иных электрических преобразований.

Плотность упаковки - число ЭРЭ в единице объема схемы.

Традиционная задача электроники – миниатюризация электронной схемы.

Интегральная технология – это технология изготовления законченных функциональ-

ных узлов в объеме одного кристалла.

Микросхемы изготовленные по этой технологии называется интегральной микросхе-

мой.

По технологииизготовленияразличают:

1. . Полупроводниковые ИМС, имеют активную подложку, т.е. активные элементы (тран-

зисторы) теми или иными способами (диффузия под воздействием лазерного облучения)

вносятся в подложку соединения, осуществляют по поверхности сигнала с помощью напы-

ления проводящих дорожек. Изготовленный таким образом функциональный узел помеща-

ют в общий защитный корпус.

2. . Гибридные ИМС имеют пассивную диэлектрическую подложку, соединения наносят-

ся напылением, активные элементы наслаиваются на поверхность кристалла.

По числу элементов в микросхеме (степень интеграции) различают:

1. . Малые ИМС (от 10 до 100 активных элементов)

2. . Средние ИМС (от 100 до 1000 активных элементов)

3. . Большие ИМС (от 1000 до 100000 активных элементов)

Микропроцессор – это центральный процессор ЭВМ, изготовленный по интегральной

технологии, он имеет сходную структуру при различных модификациях ЭВМ.

По характеру выполняемых операций различают:

1. Цифровые ИМС – выполняют логические и арифметические операции.

2. Аналоговые ИМС осуществляют обработку аналоговых сигналов.

Наибольшее распространение имеют следующие виды ИМС:

ТТЛ - микросхемы транзисторно-транзисторной логики на биполярных транзисторах;

ЭСЛ - микросхемы эмиттерно-связанной логики на биполярных транзисторах;

МОП (или МДП) - микросхемы на полевых транзисторах структуры металл - оксид-

полупроводник (металл - диэлектрик- полупроводник);

КМОП - микросхемы с симметричной структурой на полевых транзисторах р- и n-типа.

Причины перехода от аналоговых ИМС к цифровым:

1. Помехозащищенность информации, т.е. зона чувствительности между 0 и 1 большая.

2. Применяются различные программные средства по обработке информации.

3. Алгорифметическая помехозащищенность.

4. Легко обрабатывать информацию.

11

9. ,10 Схемы включения транзисторов

Применяют три основных схемы включения транзисторов. В этих схемах один из элек- тродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Соответственно эти схемы называют схемами с общей базой, общим эмиттером, и общим коллектором.

Схе м а с об щим эм и тте р ом (О Э).

Является наиболее распространенной т.к. дает наибольшее усиление по мощности.

Рис.1. Схема включения БТ с общим эмиттером.

Коэффициент усиления по току каскада представ- ляет собой отношение амплитуд выходного и вход- ного переменного тока: k_i=I_m.вых/I_m.вх =I_m.к/I_m.б Составляет обычно десятки.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует ста- тический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) для схемы с ОЭ – . Его определяют в режиме без нагрузки (R_н = 0).

Кроме усиления по току схема обеспечивает и усиление по напряжению, т.к. входное на-

пряжение U_бэ не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном

сопротивлении нагрузки и напряжении источника Е₂ составляет десятки вольт. Каскад по

схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т.е. между выходным и входным

напряжением есть фазовый сдвиг 180.

Схе м а с об ще й б а з ой ( ОБ ).

Рис.2. Схема включения БТ с общей базой.

Схема имеет значительные недостатки, но иногда приме-

няется вследствие хороших частотных и тепловых свойств.

Коэффициент усиления по току всегда меньше 1:

k_i=I_m.к/I_m.э<=1 Коэффициент усиления по напряжению

такой же, как и в схеме с ОЭ:

k_u=U_кб /U_эб Для схемы с ОБ фазовый сдвиг между вход-

ным и выходным напряжением отсутствует.

Схе м а с об щим к ол л е к т ор ом .

Рис.3. Схема включения БТ с общим коллектором.

Уравнение входного напряжения для данной схемы:

^Uвх^=Uбэ^+Uвых

т.к. U_бэ<<U_вых, то коэффициент усиления по напряжению

этой схемы:

k_u=U_вых/U_вх=U_вых/(U_бэ+U_вых)<=1

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в

схеме с ОЭ:

k_i=I_э/I_б=I_к/I_б+1 Фазового сдвига между выходным и входным напряжением нет.

У полевых транзисторов схемы включения такие же как у биполярных транзисторов – с

общим истоком (ОИ) (аналогично ОЭ), общим стоком (ОС) ( аналогично ОК), общим за-

твором (ОБ).

12

11. Операционные усилители. Схемы включения

Операционный усилитель (ОУ) - это высококачественный усилитель постоянного то- ка (УПТ), выполненный по интегральной технологии с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью (ООС). Усилители постоянного тока отли- чаются от усилителей переменного тока тем, что позволяют усиливать медленно изменяю- щиеся сигналы (f). Соответственно у них отсутствуют реактивные компоненты, которые не пропускают постоянную составляющую сигнала. УПТ широкополосны и позволяют уси-

ливать сигналы от f_Н=0 до f_В. Их амплитудные и частотные характеристики изображены на рис.1

Рис.1. Амплитудная и частотная характеристики УПТ.

Параметры реальных ОУ стремятся приблизить к

параметрам идеального ОУ.

Идеальный ОУ- это усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход с

усилением по напряжению дифференциального сигнала k_Uи полным входным сопро- тивлением z_ВХ бесконечно большим на всех частотах; бесконечный коэффициент ослабле- ния синфазных сигналов (КОСС);нулевой дрейф, шум и сдвиг нуля; нулевые входные токи смещения и сдвига; нулевое выходное сопротивление; выходной сигнал напряжения, могу- щий одинаково изменяться в сторону как положительного напряжения, так и отрицательно- го напряжения относительно потенциала точки покоя выхода. На практике реальные ОУ имеют параметры, отличные от идеальных.

Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.

К входным параметрам относят: напряжение смещения нуля; входные токи; разность

входных токов; входные сопротивления; коэффициент ослабления синфазных входных на-

пряжений; диапазон синфазных входных напряжений; температурный дрейф напряжения

смещения нуля; температурные дрейфы входных токов и их разности; напряжение шумов,

приведенное к входу; коэффициент влияния нестабильности источника питания на напря-

жения смещения.

К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, напряжение и ток

выхода.

К группе характеристик передачи относят: коэффициент усиления по напряжению; час-

тоту единичного усиления; скорость нарастания выходного напряжения; время установле-

ния выходного напряжения; время восстановления; амплитудно-частотную характеристику

У с л ов н ое об оз нач е н ие и с хе м оте хни ка ОУ .

Рис.2. Условные обозначения ОУ.

ОУ имеет один выходной вывод и два входных.

Знак  характеризует усиление.

Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе

на 180относительно выходного напряжения, на- зывается инвертирующим и обозначается знаком инверсии 0, а вход, напряжение на котором сов- падает по фазе с выходным напряжением – неин-

вертирующим. Вывод, общий для выхода и входов – это общая шина.

13

Инве рт ир ую щи й ус ил и те л ь на ОУ .

Среди усилителей, выполняемых на основе ОУ, наиболее часто используются инверти- рующий и неинвертирующий варианты.Рассмотрим инвертирующий усилитель.

Рис.3. Схема инвертирующего усилителя.

В этой схеме ОУ охвачен параллельной ООС по напряже-

нию (цепью резистора R_ОС). Если положить, что здесь ис-

пользуется идеальный ОУ, то разность напряжений на его

входе должна стремиться к нулю. Поскольку неинверти-

рующий вход соединен с общей шиной, то потенциал на ин-

вертирующем входе (точка А) тоже должен быть равен ―ну-

лю‖. Точку А принято называть ―точкой виртуального ну-

ля‖. U_вых = -

Неин ве р т иру ю щий ус ил ите л ь .

^R oc

R₁

U_âõ , к_u = -

^R oc

R₁

• коэффициент усиления

Рис.4. Принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ. Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ, а на ин- вертирующий вход подается сигнал обратной связи. В неинверти- рующем усилителе ОУ охвачен последовательной ООС по напряже-

С у м м ат ор ы на ОУ

нию. U_вых =(

^R oc

R₁

+ 1)U_вх, к_u =

^R oc ₊₁

R₁

Широко распространены инвертирующие и неинверти- рующие сумматоры на ОУ.

Рис.5. Принципиальная схема инвертирующего суммато- ра на ОУ с тремя входными сигналами.

При использовании идеального ОУ можно считать, что сумма входных токов усилителя, вызванных напряже- ниями U_ВХ1, U_ВХ2, U_ВХ3 равна току, протекающему по R_ОС, т.е. U_ВХ1/R₁+U_ВХ2/R₂+U_ВХ3/R₃=-U_ВЫХ/R_ОС, откуда

U_ВЫХ=-(U_ВХ1R_ОС/R₁+U_ВХ2R_ОС/R₂+U_ВХ3R_ОС/R₃). Отсюда следует, что выходное напряжение устройства представляет собой сумму входных напряжений, умноженную на К_U.ИНВ. При R_ОС=R₁=R₂=R₃ U_ВЫХ=-(U_ВХ1+U_ВХ2+U_ВХ3). Неинвертирующий сумматор может быть реали- зован при использовании неинвертирующего усилителя.

Анал ог овы й и нте гра т ор.

Рис.6. Принципиальная схема аналогового интеграто- ра.

Такое устройство реализуется заменой R_ОС на С. При использовании идеального ОУ можно приравнять токи в резисторе R₁ и конденсаторе С:

U_ВХ/R₁= –CdU_ВЫХ/dt, откудаU_ВЫХ= –(1/R₁C)U_ВХdt Точность выполнения функции тем выше, чем больше ^KU.ОУ^.

14

11. Параметрический стабилизатор напряжения.

Важнейшим условием нормальной работы электронных устройств является стабиль- ность питающего напряжения.

Качество работы стабилизатора характеризуется:

• Коэффициентом стабилизации, который показывает во сколько раз относительное изменение выходного напряжения (тока) меньше относительного изменения входного напряжения(тока) при условии R_н=const.

• Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой на на- грузке, ко входной мощности.=P_н/P_вх=(U_нI_н)/(U_вхI_вх).

• Выходное сопротивление, показывающее во сколько раз изменится напряжение на выходе стабилизатора при изменении тока нагрузки: R_вых=U_н/I_н/U_вх=const

• Важным параметром стабилизаторов является температурный коэффициент по на- пряжению ТКН, который характеризует изменение выходного напряжения при измене- нии температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и нагрузке (U_вх=const; I_н=const), т.е. ТКН=U_вых/Т_{окр. ср.}

В зависимости от рода стабилизируемого напряжения или тока стабилизаторы подразде- ляются на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В зависимости от метода стабилизации они подразделяются на пара- метрические, компенсационные и импульсные.

Парам е т рич е с ки й с таб ил и за т ор на п р яже н ия.

На рисунке 1 приведена схема простейшего стаби- лизатора напряжения, называемого параметриче- ским, т. к. свойства такого стабилизатора опреде- ляются в основном параметрами стабилитрона.

В этой схеме колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят только к изменению тока через стабилитрон, а напряжение на ста- билитроне, подключенном параллельно на- грузке, остается почти неизменным.

Входное напряжение распределяется в схеме между балластным резистором и стабили- троном, т.е.

U_ВХ = U_RБ + U_СТ, где U_RБ = (I_СТ + I_H)R_Б

Рис.1 ВАХ стабилитрона.

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако имеют сущест- венные недостатки, главными из которых являются: невозможность регулировки выход- ного напряжения, малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки (I_н>I_{ст. ном.})

15