Усилители переменного напряжения

В усилителях переменного напряжения ООС по постоянному току, как правило, выполняется 100 %-й. Так, в схеме (рис. 8.28, а)коэффициент передачи по постоянному току равен единице, а по переменному:

К = 1 + R₂ / R₁.

Входное сопротивление в данном усилителе очень большое, так как здесь осуществляется компенсация входного тока:

R_вх = R₃K_y / K.

При R₂ = 0 схема (рис. 8.28, а) преобразуется в повторитель напряжения с высоким входным сопротивлением (рис. 8.28, б).

В усилителях переменного напряжения целесообразно использовать только один источник питания положительной или отрицательной полярности. Однако при этом на входе ОУ необходимо включать цепь для формирования напряжения смещения, с помощью которой на выходе ОУ устанавливается напряжение, равное половине напряжения питания.

Так, в схеме (рис.8.29, а) напряжение смещения формируется делителем напряжения R₃, R₄, при этом R₃ = R₄. Коэффициент передачи для данной схемы при x_с1 << R₁ равен:

К = R₂/R₁.

Конденсатор С₂ предназначен для подавления пульсаций. В схеме (рис. 8.29, б) напряжение смещения формируется делителем R₁, R₄. Для данной схемы при x_c1 << R₃ и х_с2 << R₁||R₄ коэффициент передачи равен:

К = 1+R₂ /(R₁||R₄).

В рассмотренных схемах используется емкостная развязка входных цепей. Очевидно, что при подключении входного сигнала разделительный конденсатор С₁ будет заряжаться с постоянной времени τ = R₁C₁ (рис. 8.29, a), что обусловливает большое время установления номинального режима работы ОУ.

УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Компараторы

Выходное напряжение усилителя ограничено величиной ±U_{вых max}. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя (К_{U оу}) велик, то значение выходного напряжения (U_вых = ±U_{вых max}) достигается при очень малых входных напряжениях:

U_вх= ±U_{вых max} / K_{U оу}.

Поэтому можно считать.

То есть операционный усилитель является схемой сравнения входных сигналов – компаратором.

Компараторы представляют собой устройства, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Один вход компаратора (рис. 9.1) соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал. Когда U_вх подается на инвертирующий вход и U_оп > 0, выходное напряжение будет отрицательным при U_вх > U_оп, и положительным при U_вх < U_оп.

Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние (рис. 9.2).

Если, например, изменение выходного напряжения составляет 5 В, а коэффициент усиления компаратора равен 100 000, то разность входного и опорного напряжений (U_вх – U_оп.), вызывающая изменение выходного напряжения, будет равна:

мВ,

то есть сравнение двух уровней напряжения осуществляется с высокой точностью. Но эта схема обладает существенным недостатком: если входной сигнал изменяется медленно и его величина близка к U_оп, то шумы, содержащиеся в U_вх, могут вызвать ложные срабатывания (рис. 9.3).

Более устойчивым к действиям помех является компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС), осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов и (рис.9.3, а ). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 9.3, б ). Схема известна под названием триггера Шмита или порогового устройства.

Переключение схемы (рис. 9.4) в состояние -U_вых.max происходит при достижении U_вх напряжения (порога) срабатывания (U_ср), а возвращение в исходное состояние
(U_вых = +U_вых.max) происходит при снижении U_вх до напряжения (порога) отпускания
(-U_отп). Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив U₀ = 0:

;

.

Частным случаем схемы (см. рис. 9.4) при = 0 является схема (рис. 9.5). Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 9.6) составляют:

; ; .

Величина гистерезиса (зоны нечувствительности) определяется пороговыми напряжениями. Выбирая необходимые значения пороговых напряжений и , можно изменять «зону нечувствительности» компаратора в зависимости от уровня помех (рис. 9.6).

Компаратор с ПОС может использоваться в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.

4.2. Мультивибратор

Схема симметричного мультивибратора на ОУ в автоколебательном режиме, представляющего собой генератор прямоугольных импульсов (рис. 9.7, а) содержит как цепь отрицательной ОС на элементах , С, так и цепь положительной ОС, образованную делителем R₁, R₂.

В момент подключения к схеме напряжения питания на инвертирующий вход ОУ поступает напряжение , так как конденсатор С не успевает зарядиться, а на неинвертирующий вход с делителя R₁, R₂ поступает напряжение

.

Так как усилитель охвачен цепью безинерционной ПОС, а напряжение на его инвертирующем входе равно нулю, на выходе ОУ равновероятно может установиться любое из его максимально возможных напряжений.

Пусть U_вых.max > 0, тогда и U₂> 0 . При этом конденсатор С (рис. 9.7, б) начнет заряжаться через резистор током (интервал времени 0 – ), стремясь зарядиться до напряжения +U_вых.max. В момент времени напряжение на конденсаторе достигнет уровня +U₂, а затем несколько превысит его (на доли милливольт), то есть напряжение на инвертирующем входе ОУ окажется больше, чем на неинвертирующем.

Выходное напряжение при этом скачком изменяет свою полярность, делаясь равным -U_вых.max, после чего начинается перезаряд конденсатора током I₂ противоположного направления. Как только конденсатор С зарядится до напряжения -U₂ (момент времени t₂) полярность выходного напряжения вновь скачком изменится, то есть станет положительной. Затем начинается перезаряд конденсатора С током I₁, и процесс повторяется.

Таким образом, схема генерирует последовательность импульсов со скважностью 2 и полным размахом выходного напряжения 2·U_вых.max. Длительность выходного импульса равна:

.

Рис. 9.5. Схема компаратора с положительной обратной связью и нулевым опорным напряжением (а) и его передаточная характеристика (б)

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

5.1. Основные определения

Микроэлектроника – это раздел электроники, охватываю­щий исследования и разработку качественно нового типа элект­ронных приборов (интегральных микросхем) и принципов их применения.

Первые этапы развития микроэлектроники были характер­ны главным образом прогрессом в области технологии ИС. На этих этапах совершенствовались методы изоляции элементов, методы повышения степени интеграции, способы монтажа на­весных компонентов и т.п. Что касается схемотехники (т.е. конфигурации схем, подлежащих интеграции), то на первых порах она заимствовалась из арсенала дискретной транзистор­ной электроники.

Однако вскоре стало ясно, что качественно новой технологи­ческой реализации, свойственной ИС, должны соответствовать адекватные схемные решения. Далеко не все схемы, считавши­еся типичными в дискретной транзисторной электронике, ока­зались приемлемыми в микроэлектронике. И наоборот, многие схемы, которые в дискретной транзисторной электронике счи­тались «экзотическими» и не имели широкого распростране­ния, в микроэлектронике оказались приемлемыми и даже оп­тимальными. Поэтому схемотехника ИС отнюдь не совпадает с обычной транзисторной схемотехникой.

В процессе развития микроэлектроники появилось немало специфических элементов ИС, которые не имеют аналогов в транзисторной схемотехнике и не выпускаются в качестве ди­скретных полупроводниковых приборов (например, многоэмиттерный транзистор, приборы с зарядовой связью и др.). Интег­ральные схемы, в которых используются такие специфические элементы, не могут быть даже промоделированы на дискрет­ных компонентах.

Интегральная микросхема (или просто интегральная схема) - это совокупность, как правило, большого количества взаимо­связанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле, на одной и той же несущей конст­рукции (подложке) и выполняющая определенную функ­цию преобразования информации.

Термин «интегральная схема» (ИС) отражает факт объеди­нения (интеграции) отдельных деталей – компонентов – в конструктивно единый прибор, а также факт усложнения выполняемых этим прибором функций по сравнению с функция­ми отдельных компонентов.

Компоненты, которые входят в состав ИС и, тем самым, не мо­гут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИС, или интегральными элементами. Элементы ИС обладают некоторыми особенностями по сравнению с тран­зисторами и т.д., которые изготавливаются в виде конструктив­но обособленных единиц и соединяются в схему путем пайки.

В основе развития электроники лежит непрерывное усложне­ние функций, выполняемых электронной аппаратурой. На опре­деленных этапах становится невозможным решать новые задачи старыми средствами или, как говорят, на основе старой элемен­тной базы, например с помощью электронных ламп или диск­ретных транзисторов. Основными факторами, лежащими в осно­ве смены элементной базы, являются: надежность, габариты и масса, стоимость и мощность.

Особенностью изделий микроэлектроники является высокая степень сложности выполняемых функций, для чего создаются схемы, в которых количество компонентов исчисляется миллио­нами. Отсюда ясно, что обеспечить надежность функционирова­ния при соединении компонентов вручную – задача невыполни­мая. Единственным способом ее решения является применение качественно новых высоких технологий.

Для изготовления интегральных схем используется группо­вой метод производства и планарная технология.

Групповой метод производства заключается в том, что,

· во-первых, на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое количество интеграль­ных схем;

· во-вторых, если позволяет технологический процесс, то одновременно обрабатываются десятки таких пластин.

По­сле завершения цикла изготовления ИС пластина разрезается в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы (по-английски chip – чип), каждый из которых представляет собой ИС.

Планарная технология – это такая организация техноло­гического процесса, когда все элементы и их составляющие со­здаются в интегральной схеме путем их формирования через плоскость (по-английски плоскость – plane).

Одна или несколько технологических операций при изготов­лении ИС заключается в соединении отдельных элементов в схе­му и присоединении их к специальным контактным площадкам. Поэтому необходимо, чтобы выводы всех элементов и контакт­ные площадки находились в одной плоскости. Такую возмож­ность обеспечивает планарная технология.

Финальная операция – корпусирование – это помещение ИС в корпус с присоединением контактных площадок к нож­кам ИС (рис. 10.1).

Типы Интегральных схем

В процессе развития микроэлектроники (МЭ) номенклатура ИС непрерывно изменялась. Главный тип ИС в настоящее вре­мя – полупроводниковые ИС. Им и будет посвящено основное содержание этого пособия.

Классификация ИС

Классификация ИС может производи­ться по различным признакам, ограничимся здесь лишь одним. По способу изготовления и получаемой при этом структуре раз­личают интегральные схемы двух принципиально разных типов: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковая ИС – это микросхема, элементы кото­рой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки (рис. 10.2). Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.

Пленочная ИС – это микросхема, элементы которой выпол­нены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки (рис.10.3). В зависимости от спосо­ба нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различа­ют тонкопленочные ИС (толщина пленок до 1 - 2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10 - 20 мкм и выше).

Поскольку до сих пор никакая комбинация напыленных пленок не позволяет получить активные элементы типа транзи­сторов, пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т.п.). Поэтому функции, выполня­емые чисто пленочными ИС, крайне ограничены. Чтобы прео­долеть эти ограничения, пленочную ИС дополняют активными компонентами (отдельными транзисторами или ИС), распола­гая их на той же подложке и соединяя с пленочными элемента­ми. Тогда получается ИС, которую называют гибридной.

Гибридная ИС (или ГИС) – это микросхема, которая пред­ставляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов, расположенных на общей диэлектри­ческой подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав гибридной ИС, называют навесными, подчеркивая этим их обо­собленность от основного технологического цикла получения пленочной части схемы.

Еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаются по­лупроводниковые и пленочные интегральные элементы, назы­вают совмещенными.

Совмещенная ИС – это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводни­кового кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированную по­верхность того же кристалла (как у пленочной ИС).

Совмещенные ИС выгодны тогда, когда необходимы высо­кие номиналы и высокая стабильность сопротивлений и емкостей; эти требования легче обеспечить с помощью пленочных элементов, чем с помощью полупроводниковых.

Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществляют­ся с помощью тонких металлических полосок, напыленных или нанесенных на поверхность подложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесс нане­сения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений – металлической разводкой.

Полупроводниковые ИС

В настоящее время различают следу­ющие полупроводниковые ИС: биполярные, МОП (металл-оки­сел-полупроводник) и БИМОП. Последние представляют собой сочетание первых двух, и в них комбинируются положительные их качества.

Технология полупроводниковых ИС основана на легирова­нии полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом прово­димости и p-n-переходы на границах слоев. Отдельные слои ис­пользуются в качестве резисторов, а p-n-переходы – в диод­ных и транзисторных структурах.

Легирование пластины приходится осуществлять локально, т.е. на отдельных участках, разделенных достаточно большими расстояниями. Локальное легирование осуществляется с помо­щью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках. При изго­товлении полупроводниковых ИС роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния Si0₂, покрывающая поверхность крем­ниевой пластины. В этой пленке специальными методами грави­руется необходимая совокупность отверстий различной формы или, как говорят, необходимый рисунок
(рис. 10.4). Отверстия в масках, в частности в окисной пленке, называют окнами.

Кратко охарактеризуем составные части (элементы) полупроводниковых ИС. Основным элементом биполярных ИС является n-p-n-транзистор. На его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы должны изго­тавливаться, по возможности, одновременно с этим транзисто­ром, без дополнительных технологических операций.

Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор. Изготовление других элементов также подстраивается под ба­зовый транзистор. Элементы биполярной ИС необходимо тем или иным спосо­бом изолировать друг от друга с тем, чтобы они не взаимодейст­вовали через кристалл.

Элементы МОП ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга, так как между смежными МОП-транзисторами взаимодействия не существует. В этом – одно из главных преимуществ МОП ИС по сравнению с биполярными.

Характерная особенность полупроводниковых ИС состоит в том, что среди их элементов отсутствуют катушки индуктивно­сти и, тем более, трансформаторы. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какое-либо фи­зическое явление, эквивалентное электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходи­мую функцию без использования индуктивностей, что в боль­шинстве случаев удается. Если же катушка индуктивности или трансформатор принципиально необходимы, их приходится ис­пользовать в виде навесных компонентов.

Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20 х 20 мм². Чем больше площадь кристалла, тем бо­лее сложную, более многоэлементную ИС можно на нем размес­тить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество в нем элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т.е. количеством элементов (чаще всего транзисторов) на кристалле. Максимальная степень интегра­ции составляет 10⁶ элементов на кристалле. Повышение степе­ни интеграции (а вместе с нею и сложности функций, выполня­емых ИС) – одна из главных тенденций в микроэлектронике.

Для количественной оценки степени интеграции используют условный коэффициент:

k = lg N.

В зависимости от его значения интег­ральные схемы называются по-разному:

· интегральная схема (ИС)	k < 2	(N < 100);
· интегральная схема средней степени интег­рации (СИС)	2 < k < 3	(N < 1000);
· большая интегральная схема (БИС)	3 < k < 5	(N < 105);
· сверхбольшая интегральная схема (СБИС)	k >5	(N > 105).

Кроме степени интеграции, используют еще такой показа­тель, как плотность упаковки – количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот пока­затель, который характеризует, главным образом, уровень тех­нологии, в настоящее время составляет до 500 - 1000 элемен­тов на 1 мм².

Гибридные ИС

Пленочные, а значит, и гибридные ИС в за­висимости от технологии изготовления делятся на толсто- и тонкопленочные.

Толстопленочные ГИС (обозначим их ТсГИС) изготавливают­ся весьма просто. На диэлектрическую пластинку-подложку на­носят пасты разного состава. Проводящие пасты обеспечивают межсоединения элементов, обкладки конденсаторов и выводы к штырькам корпуса; резистивные – получение резисторов; диэ­лектрические – изоляцию между обкладками конденсаторов и общую защиту поверхности готовой ГИС. Каждый слой должен иметь свою конфигурацию, свой рисунок. Поэтому при изготов­лении каждого слоя пасту наносят через свою маску (трафа­рет) с окнами в тех местах, куда должна попасть паста данно­го слоя. После этого приклеивают навесные компоненты и сое­диняют их выводы с контактными площадками.

Тонкопленочные ГИС (обозначим их ТкГИС) изготавливают­ся по более сложной технологии, чем ТсГИС. Классическая тонкопленочная технология характерна тем, что пленки осаж­даются на подложку из газовой фазы. Вырастив очередную пленку, меняют химический состав газа и, тем самым, электро­физические свойства следующей пленки. Таким образом, поочередно получают проводящие, резистивные и диэлектрические слои. Конфигурация (рисунок) каждого слоя определяется либо трафаретом, как в случае ТсГИС, либо маской, подобно окисной маске в полупроводниковых ИС (см. рис.143).

Навесные элементы в ТкГИС, как и в ТсГИС, приклеивают на поверхность готовой пленочной части схемы и соединяют с соответствующими контактными площадками элементов.

Степень интеграции ГИС не может оцениваться так же, как в случае полупроводниковых ИС. Тем не менее, существует тер­мин большая ГИС (или БГИС), который означает, что в состав ГИС в качестве навесных компонентов входят не отдельные транзисторы, а целые полупроводниковые ИС.

5.3. Особенности интегральных схем как нового
типа электронных приборов

Поскольку ИС, подобно транзистору, представляет собой кон­структивное единое целое, выполняет определенную функцию и должна удовлетворять определенным требованиям при испыта­ниях, поставках и эксплуатации, она относится к разряду элект­ронных приборов. Однако по сравнению с диодом, транзистором и т.п. ИС является качественно новым типом прибора.

Первая – главная особенность ИС как электронного прибо­ра состоит в том, что она самостоятельно выполняет закончен­ную, часто весьма сложную функцию, тогда как элементарные электронные приборы выполняют аналогичную функцию толь­ко в ансамбле с другими компонентами. Например, отдельный транзистор не может обеспечить усиление сигнала или запоми­нание информации. Для этого нужно из нескольких транзисто­ров, резисторов и других компонентов собрать (спаять) соответ­ствующую схему. В микроэлектронике же указанные функции выполняются одним прибором – интегральной схемой. Она мо­жет быть усилителем, запоминающим устройством и т.п.

Второй важной особенностью ИС является то, что повыше­ние функциональной сложности этого прибора по сравнению с элементарными не сопровождается ухудшением какого-либо из основных показателей (надежности, стоимости и т.п.). Более того, все эти показатели улучшаются.

Поскольку габариты и масса простых и средних ИС близки к габаритам и массе дискретных транзисторов, то можно считать, что в первом приближении выигрыш по этим показателям при переходе от дискретных схем к интегральным определяется степенью интеграции и может достигать сотен и тысяч раз.

Поскольку надежность работы полупроводникового прибора в аппаратуре определяется, прежде всего, количеством паяных и (в меньшей степени) сварных соединений, то ИС, у которых межсоединения элементов осуществляются путем металлиза­ции (т.е. без пайки и сварки), обладают заведомо повышенной надежностью по сравнению с дискретными схемами, выполня­ющими ту же функцию. По мере увеличения степени интегра­ции этот выигрыш возрастает.

Поскольку все элементы ИС изготавливаются в едином тех­нологическом цикле, то количество технологических операций по их изготовлению не намного превышает количество опера­ций по изготовлению отдельного транзистора. Поэтому стои­мость ИС при прочих равных условиях близка к стоимости од­ного транзистора. Значит, в зависимости от степени интегра­ции (или, точнее, от плотности упаковки), стоимость одного элемента ИС по сравнению со стоимостью аналогичного диск­ретного компонента может быть в сотни раз меньше. Такое же соотношение существует между стоимостью ИС и стоимостью аналогичной схемы, выполненной на дискретных компонентах.

Третья особенность ИС состоит в предпочтительности актив­ных элементов перед пассивными – принцип, диаметрально противоположный тому, который свойствен дискретной транзи­сторной технике. В последней активные компоненты, особенно транзисторы, наиболее дорогие, и потому оптимизация схемы при прочих равных условиях состоит в уменьшении количества активных компонентов. В ИС дело обстоит иначе: у них задана стоимость не элемента, а кристалла; поэтому целесообразно раз­мещать на кристалле как можно больше элементов с минималь­ной площадью. Минимальную площадь имеют активные элемен­ты – транзисторы и диоды, а максимальную – пассивные. Сле­довательно, оптимальная ИС – это ИС, у которой сведены к минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно, кон­денсаторов.

Точный выигрыш в габаритах и массе трудно оценить теоретическим расче­том, так как ИС имеют другие типоразмеры корпусов и большее число выво­дов, чем элементарные компоненты.

Четвертая особенность ИС связана с тем, что смежные эле­менты расположены друг от друга на расстоянии, измеряемом в микрометрах или долях микрометра. На таких малых расстояниях различие электрофизических свойств материала маловероятно, а, следова­тельно, маловероятен и значительный разброс параметров у смежных элементов. Иначе говоря, параметры смежных элемен­тов взаимосвязаны (коррелированы). Эта корреляция сохраня­ется и при изменении температуры: у смежных элементов тем­пературные коэффициенты параметров практически одинаковы. Корреляция между параметрами смежных элементов использу­ется при проектировании некоторых ИС с целью снизить влия­ние разброса параметров и изменений температуры.

Гибридные ИС тоже представляют собой тип электронных приборов. Однако наличие навесных компонентов делает их ме­нее специфичными, чем полупроводниковые ИС. Остается в силе фундаментальная черта всякой ИС – функциональная сложность прибора, что, как и при использовании полупровод­никовых ИС, качественно меняет структуру электронной аппа­ратуры. Спецификой ГИС как прибора могут быть либо высокие номиналы резисторов и конденсаторов, недостижимые в полу­проводниковых ИС, либо прецизионность резисторов, либо, на­конец, повышенная функциональная сложность. Гибридные ИС – это гиб­кий, дешевый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо при­способленный к решению специальных, частных задач.

ЛАБОРАТОРНые РАБОТы

Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ
С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Цель работы: изучить основные свойства, характеристики и параметры одиночного усилительного каскада, построенного на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ. Научиться снимать амплитудную и амплитудно-частотную характеристики.