2.6. Интегральные микросхемы

ИМС это полупроводниковый прибор высокой степени интеграции. На одном кристале выполнено множество простейших полупроводниковых прборов (имеющих не более 3-х р-n переходов.

Параметры ИМС:

степень интеграции = ln (N), где N - кол-во VТ в ИМС

Плотность упаковки = N/S или N/V

минимильный топологический размер – минимальный размер области с одной и той-же структурой (типом проводимости)

ИМС могут быть аналоговыми (для обработки непрерывно изменяемого сиграла, например ОУ); логическими (для обработки логических (дискретных) сигналов 1,0)

Класификация по логическому признаку:

1. Полупроводниковые МС. Все элементы, входящие в МС выполнены в одном объеме кристалла полупроводника.

2. Гибридные МС – изолированное основание, на которое устанавливаются компоненты. (по технологии близки к технологии изготовления печатных плат)

Изготовление. Основа ИМС – пластина монокристалла кремния (до 15 мм в диаметре). Поверхность пластины тщательно обрабатывается. При изготовлнении МС одновременно изготавливают много МС, затем выбраковывают МС с деффектами, пластину разламывают на мелкие МС и приклеивают к керамической подложке.

Раздел 3. Усилители §1. Анализ процесса усиления электрических сигналов

Понятие об усилении электрических сигналов.

Одной из наиболее важных функций некоторых электронных приборов является усиление электрических сигналов. Усилить электронный сигнал – это значит увеличить его мощность.

Усиление электрических сигналов является одной из наиболее важных функций аппаратуры связи, вещания, телевидения.

Усилителемназывают устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала(напряжения, тока, мощности).

Усилитель электрических сигналов представляет собой активный четырехполюсник. К входным точкамьYподключается источник усиливаемых сигналов с ЭДС Е_1, к выходным точкам – потребитель усиленного сигнала, который будем называть нагрузкой усилительного элемента –R_н. В качестве усилительных элементов (УЭ) используют биполярные и полевыеVT_ы,для получения больших мощностей – электронные лампы. В цепь УЭ включается источник питания, который обеспечивает подачу постоянного напряжения на электроды УЭ (рис. 1).

Принципы усиления электрических сигналов.

Пусть УЭ – бип.VT, работающий в активном режиме в схеме с ОЭ (рис. 2). На входVT_а,т. е. на его Э_ыйпереход, включенный в прямом направлении, подадим электрический сигналU_вх. При этом небольшие изменения вх. напряжения ∆U_вхвызовут значительные изменения вх. тока ∆I_б.Ток коллектора на выходе получит, благодаря этому, приращение ∆I_к= ∆I_б*h₂₁. Этот ток вызовет на сопротивлении нагрузки приращение напряженияU_вых= ∆I_к*R_н= ∆I_б*h₂₁*R_н

Напряжение ∆U_выхбольше, чем напряжение

∆U_вх = ∆I_бR_вх, так как сопротивлениеR_н>R_вх, а ток ∆I_к > ∆I_б.

Таким образом, схема обеспечивает усиление по току и по напряжению. Мощность на входе P_вх= ∆I²_бR_вх, а мощность на выходеP_вых= ∆I²_кR_н, а так как ∆I_к > ∆I_биR_н>R_вх, то схема обеспечивает усиление по мощности.

Аналогично можно объяснить принцип усиления с помощью полевого VT_аи электронной лампы. При этом в них, работающих обычно без входных токов, управление происходит эффективнее, благодаря тому, что у них громадноеR_вх, и изменение тока на выходе при подаче входного сигнала происходит практически в отсутствие тока на входе.

Процесс усиления электрических сигналов по мощности является процессом преобразования мощности источника постоянного тока в мощность ~_готока, который меняется по закону изменение поданного на вход напряжения или тока усиливаемого электрического сигнала.

Чтобы получить на выходе требуемую полезную мощность P_вых, источник питания должен затратить большую мощностьP_о, и КПД У, безусловно, будет меньше 100%.

Существуют приборы, которые могут дать на выходе усиление либо по напряжению (например, повышающий тр-р), либо по току (понижающий тр-р). Но в этих приборах, не происходит усиления по мощности. Вследствие потерь в тр-ре мощность на его выходе обязательно меньше, чем на входе.

Характерная особенность эл-ых приборов, используемых для усиления, заключается в том, что они всегда обеспечивают усиление входного сигнала по мощности.

Простейший анализ процесса усиления позволяет определить ряд требований, предъявляемых к У_ым У_ам:

Форма усилительного сигнала в цепи нагрузки должна совпадать с формой поданного на вход электрического сигнала. Такое совпадение необходимо в большинстве У. Искажение формы сигнала на выходе У, усилительного сигнала от микрофона, приведет к тому, что в громкоговорителе, стоящем на выходе У, появляется искажение звука, то же будет при искажении усиленных сигналов в У дальней телефонной связи, в магнитофонах и т. д.

КПД д. б. большим.

Это необходимо для того, чтобы преобразование энергии источника постоянного тока в энергию ~_готока, повторяющего форму ~_го сигнала на входе УЭ, происходило при наименьших допустимых затратах энергии источника постоянного тока.

Точка покоя. Напряжение смещения.

Условием совпадения ~_го сост-ей тока с формой поданного на вход УЭ упр-го напряжения является линейная зависимость между ними, графически выраженная прямой. Статические х-ки биполярных и полевыхVT_ов,как и ЭЛ, криволинейны. Поэтому возможны искажения подобного сигнала, т. е. появление в составе токаI_вхгармоничных и комбинированных ч-т. Отсутствия

искажений сигнала можно добиться, используя участок

х-ки, наиболее близкий к прямой I_б.

На рис. 3,а – это участок АВ на вх. х-ке бип.VT_ав схеме с ОЭ. Подадим на входVT_а~_оенапряжение сигналаU_вх=U_вхм*sinωt. При этом вх. токVT_абудет меняться пропорционально изменению напряжения входного сигнала. Для того чтобы при обеих п/волны ~_го напряжения.U_вхп/волны ~_ойсост-ей токаί_бне выходили за пределы этого прямолинейного участка АВ, на входVT_анеобходимо подать прямое постоянное напряжениеU_БЭО.

Точка на статической х-ке, однозначно определяемая постоянным напряжением на входе и выходе, называетсяточкой покоя. В данном случае – точка М.

Постоянное напряжение, которое подается на вход УЭ для выбора точки покоя, называетсянапряжением смещения. У бип.VT_ам. б. задана и постоянным током на входе –током смещения.

При “+”_ойп/волне ~_го направления сигналаU_вхобщее мгновенное напряжение на входеVT_аU_БЭ =U_БЭО+U_вхм *sinωt↑_сяи соответственно ↑_сятокI_б.

При “-”_ойп/волне напряженияU_вх, которое является обратным для Э_гоперехода п-р-п –VT_а, общее напряжение на входеVT_аU_БЭ =U_БЭО-U_вхм *sinωt↓_сяи соответственно ↓_сявх. ток I_Б.

Результирующий ток на входе (рис. 3, б) является пульсирующим током. Он содержит постоянную составляющую I_БОи ~_ую сост-ую ί_б, которые меняются по закону изменения вх. напряжения сигнала ί_б =I_Бмsinωt. Каждое изменение вх. токаI_Бвызывает соответствующее изменение вых. Тока в к_ойцепиI_к, так какI_к=h_21ЭI_Б.

Режим работы УЭ при подаче на его электроды постоянных напряжений и в отсутствие на его входе напряжения электрического сигнала, который требуется усилить, называется режимом покоя.

В режиме покоя в цепи источник питания – Коллектор течет постоянный ток I_ко. При подаче ~_го напряжения сигнала на входVT_ав этой же цепи появляется ~_ая составляющая к_готока ί_к =I_Кмsinωt.

Таким образом, энергия постоянного тока источника питания преобразует в энергию ~_го тока, который меняется по закону поданного на вход ~_го напряжения.

Итак, чтобы обеспечить минимум искажений,

т. е. для совпадения формы вых. тока с формой

поданного на вход сигнала, точку покоя

выбирают на линейном участке х-к управления. Рассмотрим аналогичные графики для полевого VT_а(рис. 4). Точку покоя М выбираем на середине линейного участка АВ путем подачи соответствующего напряжения смещения – напряженияU_ио. В режиме покоя вся энергия источников питания тратится бесполезно и идет на разогрев р-п – перехода стока. Только сост-ая тока, которая подается при подаче на вход УЭ усиленного сигнала, является полезной, т. к. она создает на нагрузке усиленное напряжение и мощность. Естественно, что чем больше потери мощности за счет постоянной сост-ей тока, тем ниже КПД схемы. Однако, выбрав точку покоя на х-ке ниже, чем показано на рис. 3, 4, и подав на вход сигнал с такой же амплитудой, мы выйдем за пределы прямолинейного участка АВ, что приведет к искажению формы тока по сравнению с формой поданного сигнала. Чем ниже расположена точка покоя, т. е. чем меньше постоянная составляющая токаI_о, тем выше КПД У.