Интегральные микросхемы (ИМС)

 

Интегральные микросхемы классификацируют:

1) по технологии изготовления:

- гибридные;

- полупроводниковые.

Гибридная ИМС состоит из диэлектрической подложки, с напыленными фотоспособом соединительными дорожками и резисторами и навесных, безкорпусных элементов (диодов, транзисторов).Это микросхемы малой степени интеграции. В полупроводниковых ИМС имеется один кристалл полупроводника, разные части которого выполняют различные функции. В них можно достичь более высокую степень интеграции.

2) по степени интеграции:

- ИМС малой степени интеграции (до 30 элементов);

- ИМС средней степени интеграции (30…150 элементов);

- ИМС большой степени интеграции (более 150 элементов);

- ИМС сверхбольшой степени интеграции (более 1000 элементов);

3) по назначению:

- аналоговые;

- цифровые.

Достоинства ИМС - высокая надежность,малые габариты (1 см³» до 10⁶ элементов),малое потребление энергии.

 

Недостаток - малая выходная мощность.

 

Пример обозначений ИМС.В качестве примера рассмотрим ИМС ‘‘К 140 УД7’:

К - ИМС для широкого пользования;

140 - номер серии; первая цифра в номере серии - признак того, какая ИМС:

1,3– полупроводниковая, 2 – гибридная;

УД- аббревиатура “запечатанного” устройства - усилитель дифференциальный;

7 - номер разработки.

 

Устройства промышленной электроники

 

Усилители

 

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления слабых сигналов за счет энергии источника питания.

Основными параметрами усилителя являются:

- коэффициент усиления по напряжению, в усилителях напряжения

K_U >1;

- коэффициент усиления по току, в усилителях тока K_I >1;

- коэффициент усиления по мощности, причём

K_P > 1 в любом усилителе.

 

 

Характеристики усилителей:

Рис.1.40 Рис.1.41 Рис.1.42

 

1.Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость К от частоты, К=Ф(f).

 

АЧХ для УНЧ, УПТ, ИУ приведены на рис.1.40, 1.41, 1.42.

 

По АЧХ определяется полоса пропускания частот усилителя :

.

2. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ).

j = Ф (f),

где j - угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами.

Поскольку усилитель содержит реактивные элементы, то фаза сигнала на входе не совпадает с фазой сигнала на выходе, причем на разных частотах угол сдвига фаз будет разной.

3. Амплитудная характеристика (АХ)

U_ВХ = f(U_ВХ) ½ _f=const.

АХ - это зависимость величины выходного напряжения от входного напряжения при f = const (рис.1.43).

 

 

 

Классификация усилителей по частотному диапазону:

 

1. Усилитель низкой (звуковой) частоты (УНЧ), D f = десятки Гц … десятки кГц.

2. Усилитель высокой частоты (УВЧ), D f = десятки кГц … десятки МГц.

3. Широкополосный усилитель (ШУ), D f = десятки Гц … десятки МГц.

4. Усилитель постоянного тока (УПТ), D f = 0 … Мгц.

5. Избирательный (резонансный) усилитель (ИУ) - это усилитель, усиливающий сигнал в очень узком диапазоне частот (в идеале одну частоту).

Виды искажения сигналов при прохождении через усилитель. При прохождении через усилитель форма сигнала может искажаться. Существуют нелинейные и линейные искажения.

Рис.1.44.

Рис.1.45.

 

Нелинейные (рис.1.44) связаны с нелинейными характеристиками транзисторов (область линейной работы сравнительно невелика).

Линейные искажения – это искажения сигнала, связанные с разными К на различных частотах. Проявляются при усилении сигналов сложной формы, к примеру, прямоугольной (рис. 1.45).

Чем шире полоса пропускания частот усилителя, тем меньше он вносит искажений.

Усилитель, обладающий идеальной АЧХ, не вносит линейных искажений.

 

 

Понятие о входном и выходном сопротивлении усилителя. По отношению к источнику входного сигнала (ИС) усилитель является нагрузкой и как любая нагрузка обладает сопротивлением. Это и будет входным сопротивлением усилителя R_ВХ (рис.1.46).

 

Рис.1.46.

По отношению к нагрузке усилитель является источником электрического сигнала и как всякий источник обладает ЭДС и внутренним сопротивлением, последнее является выходным сопротивлением R_ВЫХ. ЭДС холостого хода E_ХХ = К U_ВХ.

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ – это часть элементов схемы, включающая главную усилительную цепь каскада и элементы, обеспечивающие ее работу. Главная усилительная цепь состоит из транзистора и последовательно включенного с ним резистора R_К (рис.1.47).

Определим коэффициент усиления в режиме холостого хода К_Uхх. По закону Ома

U_ВХ = I_ВХ R_ВХ = I_Б R_ВХ,

где R_ВХ – входное сопротивление главной усилительной цепи, т.е. сопротивление

Рис.1.48.

p-n-п ерехода Э – Б.

Рис.1.47.

 

 

По второму закону Кирхгофа имеем

,

.

Знак минус означает, что D U_ВХ и D U_ВЫХ разного знака, т.е. при прохождении через главную усилительную цепь сигнал инвертируется (фаза сдвигается на 180^о);

b>>1; R_К = тысячи Ом, R_ВХ = сотни Ом, поэтому | К_Uхх | >>1.

 

Передаточная характеристика главной усилительной цепи по напряжению есть зависимость U_ВЫХ = f(U_ВХ). На данной характеристике можно выделить три области

работы транзистора (рис.1.48):

1 – область отсечки;

2 – область линейной работы;

3 – область насыщения.

Прохождение синусоидального сигнала через главную усилительную цепь.

Режимы усиления. Используя передаточную характеристику можно посмотреть, как изменяется форма sin сигнала при прохождении через главную усилительную цепь (рис.1.49).

Рассмотрим три варианта:

· входной сигнал изменяется вокруг нулевого уровня и попадает частично в области отсечки и частично в область линейной работы;

· входной сигнал целиком укладывается в область линейной работы;

· входной сигнал большой амплитуды занимает все три области.

На рис. 1.49. заштрихована та часть сигнала, которая укладывается в область линейной работы.

Сигнал на выходе будет совпадать по форме с этой частью входного сигнала.

Рассмотренным вариантам соответствуют три режима усиления:

Рис.1.49.

Режим B – характеризуется отсутствием напряжения смещения (сигнал изменяется вокруг нулевого уровня), большими нелинейными искажениями (усиливается чуть меньше половины сигнала). Применяется в усилителях мощности.

Режим A характеризуется отпирающим смещением (транзистор приоткрывается), практическим отсутствием нелинейных искажений. Применяется в линейных усилителях напряжения.

Режим D характеризуется большой амплитудой входного сигнала. Входной сигнал занимает все три области (отсечки, линейной и насыщения). Сигнал на выходе получается в виде перепада напряжения от максимального до 0 (практически прямоугольный сигнал). Применяется в вычислительной технике (такой режим называется ключевым режимом работы.)

 

 

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе приведена на рис.1.50, где VT, R_К - главная усилительная цепь; R₁,R₂ - цепь подачи смещения, задает режим А; C_Р1,C_Р2 - разделительные конденсаторы, препятствующие протеканию постоянного тока. На сигнал рабочей частоты не влияют; R_Э,C_Э - цепь термостабилизации. Она препятствует температурным изменениям параметров транзистора, a следовательно, и усилителя. Создает отрицательную обратную связь по постоянному току, за счет чего стабилизируются параметры. Коэффициент усиления каскада равен коэффициенту усиления главной усилительной цепи: .

 

 

Рис.1.50.

 

На рис 1.51 представлена форма сигнала в различных точках усилительного каскада: U₁=U_СМ + U_ВХ; U_CM = const; U₂ = KU₁ = K(U_СМ + U_ВХ) =KU_СМ + КU_ВХ =U_О + U_~.

Рис.1.51.

 

 

Общие сведения о многокаскадных усилителях. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя K=K₁ K₂ K₃ …K_n = . Блок-схема многокаскадного усилителя представлена на рис.1.52. Согласующий каскад должен иметь большое входное сопротивление. Усилитель мощности усиливает сигнал по мощности до величины необходимой для нагрузки.

Рис.1.52.

В многокаскадном усилителе различают следующие типы связей:

 

емкостная связь

 

трансформаторная связь

 

 

гальваническая (связь через источники питания) связь

 

 

потенциометрическая связь

 

 

Емкостная и трансформаторная связи применяется в усилителях переменного напряжения, а гальваническая и потенциометрическая – в усилителе постоянного тока (УПТ).

Усилитель с емкостной связью имеет АЧХ, представленную на рис.1.53.

Влияние ёмкостной связи определяется зависимостью сопротивления Х_С от частоты.

Рис.1.53

ХС = при ¯ f ® ХС ­ ® UВЫХ ¯ ® K ¯ Чем меньше f,тем больше сопротивление ХС и тем меньшее напряжение передается на вход последующего каскада. За счёт этого уменьшается UВЫХ, а следовательно, и К.

Влияние трансформаторной связи связано с зависимостью ЭДС трансформатора Е₂ от частоты:

E₂=4,44W₂f Фпри ¯ f® E₂ ¯ ® U_ВЫХ ¯ ® K ¯.

Наличие емкостной и трансформаторной связи обусловливает уменьшение коэффициента усиления в области низких частот. Если (f=0), то (K=0). В области высоких частот коэффициент усиления падает за счёт влияния ёмкости p-n- перехода С_ЭБ.

 

 

УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА (УПТ) – это усилитель, который должен усиливать сигнал, начиная с частоты, равной 0. По этой причине нельзя использовать ёмкости и трансформаторы:

 

 

Рис.1.54.

Отказ от ёмкостей и трансформаторов приводит к появлению дрейфа нуля у всех УПТ. АЧХ УПТ приведена на рис.1.54.

Дрейф нуля – это самопроизвольное изменение сигнала на выходе при отсутствии сигнала на входе (присутствует только в УПТ и появляется в следствие отказа от емкости и трансформатора в качестве межкаскадных связей).

Основные причины возникновения дрейфа нуля:

- изменение параметров транзистора под действием температуры;

- изменение напряжения источника питания.

Поскольку указанные изменения происходят очень медленно, то через усилители переменного напряжения с емкостной или трансформаторной связью эти помехи не проходят. Там нет дрейфа нуля. В УПТ же любые изменения напряжения на выходе предыдущего каскада усиливаются последующими каскадами, что и приводит к дрейфу нуля.

Меры борьбы с дрейфом нуля:

- стабилизация температурного режима;

- использование стабилизированных источников питания;

- усиление сигнала по схеме модуляция – демодуляция;

- использование специальных балансных схем.

Принцип усиления сигнала по схеме модуляция - демодуляция.

Рис.1.55.

 

Рис.1.56.

 

Медленно изменяющийся сигнал, подлежащий усилению, накладывается на сигнал высокой частоты (амплитудная модуляция рис.1.55). Блок-схема усиления сигнала представлена на рис.1.56. Модулированный сигнал усиливается в усилителе переменного напряжения, после чего производят демодуляцию - выделение усиленного медленно изменяющегося сигнала). Поскольку усиление сигнала происходит в усилителе переменного напряжения, то дрейфа нуля нет. В целом схема существенно усложняется. Для уменьшения дрейфа нуля наиболее часто используются специальные балансные схемы.

 

Рис.1.57.