При создании первых образцов ИМС использовался ранее накопленный опыт в области производства и применения обычных транзисторных схем из дискретных компонентов. При этом практически полностью копировались транзисторные схемы. Однако по мере накопления опыта в области конструирования производства и применения ИМС подход к схемотехнике становится все более специфичным. Это связано со стремлением, с одной стороны, более плотно использовать выявившиеся возможности и особенности различных конструктивно-технологических методов микроэлектроники, с другой, обойти ограничения, существующие при изготовлении элементов.

При производстве ИМС относительная сложность изготовления элементов различных типов отличается от относительной сложности и стоимости изготовления аналогичных дискретных приборов. Так, например, изготовление пассивных элементов в полупроводниковых ИМС различных типов требует такого же количества операций, как и изготовление активных. Такое положение по-новому ориентирует разработчика схем, поскольку при построении схем на дискретных компонентах во многих случаях основным критерием в схемотехнике было сокращение числа активных приборов. В интегральных схемах транзистор занимает меньшую площадь, чем резистор или конденсатор, что является немаловажным фактором. В связи с этим в ИМС наметилась тенденция многофуекционального использования транзисторов, причем они применяются в ИМС не только в качестве активных элементов. Транзисторы все чаще используются в двухполюсном включении в качестве диодов. При этом удается улучшить некоторые параметры, и появляется возможность их изменения за счет выбора соответствующего включения одного и того же транзистора. Транзисторы используются как конденсаторы малой емкости и как большие резисторы. Разработаны многоэмиттерные транзисторы, заменившие диодные сборки и обеспечивающие улучшение переходных характеристик логических схем.

Кроме того, наметилось стремление увеличить число транзисторов в схеме с целью ослабления требований к параметрам каждого транзистора в отдельности. Экономически более выгодно вместо одного транзистора с высокими параметрами использовать два транзистора со средними параметрами. Процент выхода годных схем, несмотря на некоторое увеличение числа компонентов, возрастает, а стоимость уменьшается. Поэтому в ИМС находят широкое применение так называемые составные транзисторы и каскадное включение транзисторов. Таким образом, старый принцип - чем проще схема, тем легче ее изготовить - применительно к планарной ИМС не всегда справедлив. Если в схемах с дискретными компонентами отношение количества транзисторов к числу пассивных элементов 1:8, 1:5, то в интегральных схемах 2:1.

Особенностью интегральной схемотехники помимо сказанного является также преимущественное использование усилителей постоянного тока с непосредственными связями, а также стремление использовать такие схемы, характеристики которых определяются в основном не абсолютными значениями элементов (например, резисторов), а соотношениями между их номиналами. Как уже говорилось ранее, технологические допуски на абсолютные величины элементов довольно высоки, в то время как соотношения между номиналами можно выдерживать с большой точностью.

Как известно, в транзисторных схемах широко используются комбинации транзисторов с различной проводимостью, р-n-р и n-р-n. В интегральных микросхемах предпочтение отдается схемам, в которых используются транзисторы с проводимостью одного типа. Применение в одной схеме р-n-р и n-р-n транзисторов усложняет технологический процесс, причем соответственно возрастает стоимость схем и уменьшается процент выхода годных. интегральный микросхема усилитель частота

Существующая технология, а также применение новых материалов и новых физических явлений позволяют создать приборы, в которых трудно найти аналогию с соответствующими схемами, выполненными на дискретных компонентах. Так, большая паразитная распределенная емкость пленочных и п/п резисторов используется для создания распределенных PC - структур, на основе которых выполняются фильтры. Эффект Ганна в арсениде галлия используется для построения генераторов и логических схем. В ИМС находят широкое применение полевые транзисторы. Это обусловлено тем, что полевые транзисторы позволяют получить высокую степень интеграции, упрощают технологические процессы.

В ИМС находят широкое применение многоэмиттерные транзисторы.

Многоэмиттерный транзистор представляет собой совокупность нескольких транзисторных структур, имеющих общий коллектор и базу. Все области эмиттеров образуются одновременно с соответствующими областями обыкновенного транзистора, поэтому все транзисторы имеют одинаковое распределение примесей в эмиттере, базе и коллекторе, одинаковые распределенные емкости переходов и одинаковые свойства коллекторов. Различие между многоэмиттерным и обычным транзисторами заключается в площадях коллекторных и эмиттерных переходов и числе эмиттеров, а также конструкции и взаимном расположении контактов. Многоэмиттерные транзисторы применяются в многоканальных переключающихся устройствах.

Следующая особенность интегральной схемотехники связана с затруднением в реализации избирательных цепей, поэтому в интегральной схемотехнике стараются использовать схемные решения, позволяющие реализовать избирательную частотную характеристику с использованем активных RC фильтров.

Базовыми схемами аналоговых ИМС необходимо считать многокаскадные усилители с непосредственной связью, охваченные глубокой отрицательной обратной связью, каскадные усилители с использованием составных транзисторов и дифференциальные усилители.

При проектировании многокаскадных усилителей переменного тока на дискретных элементах связь между каскадами осуществляется, как правило, через разделительные конденсаторы большого номинала. В ИМС конденсаторы большой емкости выполнить не удается, поэтому усилители переменного тока используются для диапазона сравнительно высоких частот (мегагерц и выше). На более низких частотах, в частности звуковых, применяют непосредственную связь между каскадами, то есть используют усилители постоянного тока. Такие схемы могут работать как на низких, так и на высоких (до 100 МГц) частотах.

3. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах

Для построения усилителей низкой частоты используются ИМС с буквами УН. Рассмотрим внутренную принципиальную схему ИМС К118УН1, рис.17.1.

Рис. 17.1. Принципиальная схема ИМС К118УН1

Каждый из двух каскадов усилителя выполнен по схеме с общим эмиттером, причем коэффициент усиления можно изменять путем подключения внешней нагрузки между выводом 10 и 9 или 7; через резисторы R3 и R5, соединяющие эмиттер V2 и базу V1, осуществляется межкаскадная отрицательная обратная связь внутри микросхемы. Вывод микросхемы 7 предназначен для подачи напряжения питания, а вывод 14 - для подключения общего провода. Вывод 11 позволяет подключать внешний конденсатор развязывающего фильтра. Используя выводы 2,5 и 12, путем подключения внешних элементов можно применять различные виды обратной связи.

Сама по себе данная ИМС не выполняет ни одну из функций обработки сигнала, но схема ее составлена так, что при определенном способе внешних соединений (схеме включений) она обеспечивает многофункциональное использование и разработку усилителей самыми разнообразными техническими условиями. Так, например, на основе ИМС К118УН1 можно собрать:

Вариант 1. Двухкаскадный усилитель низкой частоты (рис.17.2), в котором оба каскада выполнены по схеме с общим эмиттером, причем коэффициент усиления второго каскада можно изменять путем подключения внешнего резистора R2 между выводами 10 и 9.

Во входную (вывод 3) и выходную (вывод 10) цепи включены разделительные емкости C1 и С4, номиналами которых определяется f_н. С2 совместно с внутренним резистором R4 составляют развязывающий фильтр. Включение емкости С3 между выводом 12 и 14 (корпус) позволяет исключить последовательную ООС по току во втором каскаде.

Рис. 17.2.Схема включения ИМС К118УН1(вариант 1)

Подключение внешнего резистора R1 между выводами 10 и 2 позволяет охватить оба каскада последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления усилителя, собранного по схеме рис.17.2, практически зависит от величины R1. Чем больше R1, тем меньше коэффициент предачи цепи ООС, следовательно, коэффициент усиления больше. Для ограничения полосы пропускания со стороны верхних частот следует параллельно R1 подключить емкость C5. В этом случае осуществляется частотно-зависимая ООС. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается, следовательно, увеличивается глубина ООС, что приводит к уменьшению коэффициента усиления. Номинал емкости С5 расчитывают исходя из заданной верней граничной частоты.

Вариант 2. Двухкаскадный усилитель (рис.17.3), в котором первый каскад выполнен с ОЭ а второй - с ОК.

Рис. 17.3. Схема включения ИМС К118УН1 (вариант 2)

Для этого выводы 7, 9 и 10 закорачиваются через С3 на корпус. Выходное напряжение U_вых снимается с эмиттера V2. Подключение С2 устраняет последовательную ООС по току в первом каскаде. В усилителе, собранном по схеме рис.17.3, имеет место параллельная ООС по напряжению (через R3, R5). Эта же цепь служит одновременно для смещения V1 фиксированным током базы.

Вариант 3. Двухкаскадный усилитель (рис.17.4), в котором оба каскада охвачены последовательной ООС по напряжению (R2 и C5 между выводами 2 и 10) и параллельной ООС по напряжению (С3, С4 между выводами 10 и 5). Применение различных видов обратной связи позволяет улучшить показатели усилителя. Так, УНЧ, собранный по схеме рис. 7.4, имеет: f_н = 30Гц, f_в=20 кГц, К_о = 100, R_вх = 50кОм.

Рис. 17.4. Схема включения ИМС К118УН1 (вариант 3)

Радиоинженер, разобравшись в принципиальной схеме ИМС, на ее основе может разработать и собрать десятки устройств с самыми разнообразными техническими устройствами. Но для этого надо хорошо знать структуру и принципиальную схему ИМС.

4. Усилитель мощности на интегральных микросхемах