Основы схемотехники интегральных усилителей

На элементы, применяемые в интегральных микросхемах, накладывается ряд ограничений. Основные из них следующие.

1. В интегральной схеме не могут быть изготовлены трансформаторы, катушки (за исключением небольших катушек в гибридных микросхемах), конденсаторы большой емкости. Это вынуждает разрабатывать интегральные схемы без применения указанных элементов либо применять их как внешние (навесные) детали. Последнее уменьшает степень функциональной законченности интегральных микросхем. Поэтому почти все интегральные усилители делаются с гальваническими связями каскадов.

2. Невозможность налаживания (настройки) интегральных схем, особенно полупроводниковых, требует соответствующих схемных решений и широкого применения обратных связей (ОС).

Особенности схемных решений базируются на двух преимуществах интегральной технологии. Первое - это высокая идентичность параметров и характеристик одинаковых элементов, например двух транзисторов. Второе - возможность применения большого количества транзисторов, причем это не увеличивает стоимости изготовления, но позволяет расширить возможности разработчика микросхем.

Рассмотрим наиболее типовые схемные конфигурации, применяемые в полупроводниковых интегральных микросхемах усилителей.

Генератор стабильного тока

Под генератором стабильного тока (ГСТ) понимается двухполюсник, ток которого почти не зависит от приложенного к немупостоянного напряжения. Следовательно, такой двухполюсник представляет для переменной составляющей тока большое сопротивление (в идеале - бесконечное). Простейшим ГСТ является коллекторная цепь транзистора, поскольку ток коллектора при фиксированном смещении (рис.1,а) почти не зависит от напряжения на коллекторе. Конечно, ток будет стабильным только при работе транзистора в активной области характеристик. Значит, напряжение на коллекторе можно изменять только по величине, но не по знаку, т.е. амплитуда его переменной составляющей должна быть меньше постоянной составляющей. Смещение должно оставаться постоянным.

Для уменьшения зависимости тока коллектора от напряжения на нем в эмиттерный вывод включается резистор обратной связи R1 (рис. 1,б), а потенциал базы фиксируется делителем R2, R3. При этом образуется схема эмиттерной стабилизации тока коллектора. Такая схема стабилизирует ток коллектора не только при изменении коллекторного напряжения, но и при изменении температуры. Для дальнейшего улучшения стабильности последовательно с R3, т.е. в нижнее плечо базового делителя, включается диод, смещенный в прямом направлении. Он имеет отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения и поэтому осуществляет дополнительную термостабилизацию тока коллектора. В качества диода в микросхемах используется транзистор в диодном включении (обычно база соединяется с коллектором).

Более просты ГСТ на полевых транзисторах, так как их можно строить без отдельного источника подачи смещения. В качество примера на рис.1,в приведена схема ГСТ на полевом транзисторе с изолированным затвором и встроенным каналом типа n,а на рис.1,г показано, как графически определить стабилизируемый ток I. Здесь график 1- cтоко-затворная характеристика транзистора, 2 - вольт-амперная характеристика резистора R_и, напряжение на котором задает смещение запирающей полярности на затвор и определяет ток транзистора I. Полярность напряжения u_зина рис.1,в противоположна полярности напряжения на R_и, а поэтому для совмещения двух графиков на одном рис.1,г прямая 2 направлена в сторону отрицательных значений u_зи. Из рис.1,г видно, что допустимо даже R_и = 0, но тогда ток будет менее стабилен.

В сущности, назначение ГСТ состоит в получении очень большого сопротивления для переменной составляющей тока при небольшом сопротивлении для постоянной составляющей. Последнее обеспечивает малую величину потерь на нем постоянного напряжения (единицы вольт) и мощности. В этом отличие ГСТ от простого резистора. Кроме того, резисторы, имеющие большие сопротивления, занимают на подложке много места и поэтому нежелательны.