Шпоры по ЭСА

2.8 Интегральные микросхемы. Виды, технологии.

ЭРЭ – электронный радиоэлемент.

Дискретный ЭРЭ – электронный радиоэлемент выполненный по самостоятельной технологии 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 функциональных узлов в объеме одного кристалла.

Микросхемы изготовленные по этой технологии называется интегральной микросхемой.

По технологии изготовления различают:

1.Полупроводниковые ИМС, имеют активную подложку, т.е. активные элементы (транзисторы) теми или иными способами (диффузия под воздействием лазерного облучения) вносятся в подложку соединения, осуществляют по поверхности сигнала с помощью напыления проводящих дорожек. Изготовленный таким образом функциональный узел помещают в общий защитный корпус.

2.Гибридные ИМС имеют пассивную диэлектрическую подложку, соединения наносятся 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 - оксидполупроводник (металл - диэлектрикполупроводник);

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

2.9,10 Схемы включения транзисторов

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

Схема с общим эмиттером (ОЭ).

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

Рис.1. Схема включения БТ с общим эмиттером.

Коэффициент усиления по току каскада представляет собой отношение амплитуд выходного и вход-

ного переменного тока: ki=Im.вых/Im.вх =Im.к/Im.б Составляет обычно десятки.

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

Кроме усиления по току схема обеспечивает и усиление по напряжению, т.к. входное напряжение Uбэ 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 .

Схема с общей базой (ОБ).

Рис.2. Схема включения БТ с общей базой.

Схема имеет значительные недостатки, но иногда применяется вследствие хороших частотных и тепловых свойств.

Коэффициент усиления по току всегда меньше 1: ki=Im.к/Im.э<=1 Коэффициент усиления по напряжению

такой же, как и в схеме с ОЭ:

ku=Uкб /Uэб Для схемы с ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует.

Схема с общим коллектором.

Рис.3. Схема включения БТ с общим коллектором.

Уравнение входного напряжения для данной схемы:

Uвх=Uбэ+Uвых

т.к. Uбэ<<Uвых, то коэффициент усиления по напряжению этой схемы:

ku=Uвых/Uвх=Uвых/(Uбэ+Uвых)<=1

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с ОЭ:

ki=Iэ/Iб=Iк/Iб+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

2.11 Операционные усилители. Схемы включения

Операционный усилитель (ОУ) - это высококачественный усилитель постоянного тока (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 отличаются от усилителей переменного тока тем, что позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы (f ). Соответственно у них отсутствуют реактивные компоненты, которые не пропускают постоянную составляющую сигнала. УПТ широкополосны и позволяют уси-

ливать сигналы от fН=0 до fВ. 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 ОУэто усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход с усилением по напряжению дифференциального сигнала kU и полным входным сопротивлением zВХ бесконечно большим на всех частотах; бесконечный коэффициент ослабления синфазных сигналов (КОСС);нулевой дрейф, шум и сдвиг нуля; нулевые входные токи смещения и сдвига; нулевое выходное сопротивление; выходной сигнал напряжения, могущий одинаково изменяться в сторону как положительного напряжения, так и отрицательного 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 напряжений; 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 напряжения смещения.

К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, напряжение и ток выхода.

К группе характеристик передачи относят: коэффициент усиления по напряжению; частоту единичного усиления; скорость нарастания выходного напряжения; время установления выходного напряжения; время восстановления; амплитудно-частотную характеристику

Условное обозначение и схемотехника 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, называется инвертирующим и обозначается знаком инверсии 0, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением – неин-

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

13

2.12 Параметрический стабилизатор напряжения.

Важнейшим условием нормальной работы электронных устройств является стабильность 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 Rн=const.

-Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой на нагрузке, ко входной мощности. =Pн/Pвх=(UнIн)/(UвхIвх).

-Выходное сопротивление, показывающее во сколько раз изменится напряжение на выходе стабилизатора при изменении тока нагрузки: Rвых= Uн/ Iн/Uвх=const

-Важным параметром стабилизаторов является температурный коэффициент по напряжению ТКН, который характеризует изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и нагрузке

(Uвх=const; Iн=const), т.е. ТКН= Uвых/ Токр. ср.

В зависимости от рода стабилизируемого напряжения или тока стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В зависимости от метода стабилизации они подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные.

Параметрический стабилизатор напряжения.

На рисунке 1 приведена схема простейшего стабилизатора напряжения, называемого параметрическим, т. к. свойства такого стабилизатора определяются в основном параметрами стабилитрона.

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

Входное напряжение распределяется в схеме между балластным резистором и стабилитроном, т.е.

UВХ = URБ + UСТ, где URБ = (IСТ + IH)RБ

Рис.1 ВАХ стабилитрона.

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако имеют существенные недостатки, главными из которых являются: невозможность регулировки выходного напряжения, малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки (Iн>Iст. ном.)

15

2.13 Компенсационные стабилизаторы

Важнейшим условием нормальной работы электронных устройств является стабильность 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 Rн=const.

-Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой на нагрузке, ко входной мощности. =Pн/Pвх=(UнIн)/(UвхIвх).

-Выходное сопротивление, показывающее во сколько раз изменится напряжение на выходе стабилизатора при изменении тока нагрузки: Rвых= Uн/ Iн/Uвх=const

-Важным параметром стабилизаторов является температурный коэффициент по напряжению ТКН, который характеризует изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и нагрузке

(Uвх=const; Iн=const), т.е. ТКН= Uвых/ Токр. ср.

В зависимости от рода стабилизируемого напряжения или тока стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В зависимости от метода стабилизации они подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационные стабилизаторы по принципу действия различают на непрерывные и импульсные. Стабилизаторы напряжения непрерывного действия представляют собой систему автоматического регулирования, в которой фактическое значение выходного напряжения сравнивается с заданным значением эталонного (опорного) напряжения. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и должен воздействовать на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось вернуться к заданному уровню. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилиза-

тор.

Рис.1 Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа.

В схеме компенсационного стабилизатора последовательного типа регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления. Разностный сигнал рассогласования Uн-Uоп, формируемый схемой сравнения СС, поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воздействует на регулирующий элемент РЭ. При положительном сигнале рассогласования (Uн-Uоп)>0, внутреннее сопротивление РЭ возрастает, и падение напряжения Uрэ на нем увеличивается. Т.к. РЭ и нагрузка включены последовательно, то при увеличении UРЭ выходное напряжение уменьшается, стремясь к значению UН.НОМ. При отрицательном сигнале рассогласования (Uн- Uоп)<0, наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшают-

16

ся, что приводит к возрастанию выходного напряжения. Таким образом, в компенсационном стабилизаторе действует отрицательная обратная связь по напряжению.

Рис.2 Принципиальная схема компенсационного стабилизатора.

Роль регулирующего элемента в схеме играет транзистор VT1. При увеличении UВХ выходное напряжение возрастает по абсолютному значению, создавая положительный сигнал рассогласования напряжения Uбэ2 на входе усилителя по-

стоянного тока, выполненного на транзисторе VT2. Ток коллектора транзистора VT2 возрастает, а потенциал коллектора VT2 становится более отрицательным. Напряжение базаэмиттер транзистора VT1 уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора VT1 и падения напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.

Для повышения коэффициента стабилизации схемы резистор Rк, определяющий базовый ток регулирующего транзистора VT1, подключается к стабильному источнику напряжения – Е0. Главная регулировка выходного напряжения производится с помощью делителя напря-

жения R1, R2, R3.

В схеме компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа РЭ подключен параллельно нагрузке Rн. Последовательно с ним включается балластный резистор RБ. Разностный сигнал рассогласования / UН-UОП/, формируемый схемой сравнения (СС), усиливается с помощью усилителя У и воздействует на регулирующий элемент РЭ, изменяя его ток IP таким образом, чтобы обеспечить постоянство выходного напряжения UН. КПД у таких стабилизаторов ниже, чем у стабилизаторов последовательного типа, так как на балластном резисторе RБ расходуется дополнительная мощность.

Рис.3 Схема структурная компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа

17

2.14 Стабилизаторы тока

В компенсационных стабилизаторах тока последовательно с нагрузкой включается эталонный резистор Rэт, напряжение на котором стабилизируется с помощью обычного стабилизатора напряжения. Таким образом, при изменении нагрузки Rн ток, протекающий через нее, останется неизменным.

Рис.1 Вариант схемы компенсационного стабилизатора тока.

Сигнал рассогласования UR Д.Т.-UОП усиливается с помощью усилителя постоянного тока на транзисторе VT2, и воздействует на регулирующий элемент (транзистор VT1).

18

2.15 Импульсные стабилизаторы напряжения

Применение импульсного режима работы регулирующего элемента стабилизатора позволяет повысить КПД до 80 и выше.

Рис. Структурная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа.

В такой схеме нагрузка последовательно через сглаживающий фильтр Ф и ключевой регулирующий элемент РЭ подключена к источнику входного напряже-

ния. Выходное напряжение сравнивается с эталонным опорным напряжением Uоп. Разностный сигнал рассогласования Up, формируемый схемой сравнения СС, воздействует на схему управления СУ, которая вырабатывает импульсы, управляющие временами размыкания

изамыкания ключевого регулирующего элемента.

Врезультате ко входу сглаживающего фильтра Ф

будет приложено импульсное напряжение Uф (см.

рис. 2.).

Среднее значение этого напряжения Uфо зависит от соотношения времен замкнутого tз и разомкнутого tp состояния ключа РЭ и определяется форму-

лой: Uфо=Uвх(tз/(tз+tp)=Uвхtз/Т=Uвхtзf=Uвх/Q, где Т=tз+tp-период; f-частота переключения ключевого

элемента; Q=T/tр-скважность последовательности

импульсов.

Изменение параметров tз и f можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключевым элементом РЭ.

Наибольшее распространение получили стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией, когда изменяется длительность управляющих импульсов tз (время замкнутого состояния ключевого элемента РЭ), а частота f их следования остается неизменной.

В качестве схемы управления СУ в таких стабилизаторах может использоваться генератор импульсов ГИ, вырабатывающих прямоугольные импульсы с постоянной f. Длительность импульсов определяется величиной сигнала рассогласования, поступающего с выхода схемы сравнения СС.

Возможно построение стабилизатора с ШИМ на основе следующей структурной схемы на рис.3. РЭ - регулирующий элемент;Ф – фильтр;Н-нагрузка;ГЛИН - генератор линейно

изменяющегося напряжения;КН - компаратор напряжения

Принцип работы схемы можно проиллюстрировать с помощью временных диаграмм (см. рис.4.). По способу включения регулирующего транзистора и дросселя, входящего в состав фильтра Ф, ИСН можно подразделить на последовательные и параллельные. Рассмотрим варианты соединения элементов силовой части ИСН.

Если источник постоянного тока подключить к нагрузке с помощью периодически замыкаемого и размыкаемого ключа, то среднее значение напряжения на нагрузке:

19