I_см = (I_см1 - I_см2) / 2.

Входной ток сдвига - это разность токов смещения. Он появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току входных транзисторов. Ток сдвига является переменной величиной, лежащей в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.

Вследствие наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется подачей на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

Температурный дрейф входного тока - коэффициент, равный отношению максимального изменения входного тока ОУ к вызвавшему его изменению окружающей температуры.

Температурный дрейф входных токов приводит к дополнительной погрешности. Температурные дрейфы важны для прецизионных усилителей, так как, в отличии от напряжения смещения и входных токов, их очень сложно скомпенсировать

Максимальным дифференциальным входным напряжением лимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ в схеме, для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада

Входное сопротивление зависит от типа входного сигнала. Различают:

· дифференциальное входное сопротивление (R_{вх диф}) - (сопротивление между входами усилителя);

· синфазное входное сопротивление (R_{вх сф}) - сопротивление между объединенными входными выводами и общей точкой.

Значения R_{вх диф} лежат в интервале от нескольких десятков килоом до сотен мегаом. Входное синфазное сопротивление R_{вх сф} на несколько порядков больше R_{вх диф}.

Выходные характеристики

Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток.

Операционный усилитель должен обладать малым выходным сопротивлением (R_вых) для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Реальное R_вых составляет единицы и сотни ом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Максимальное выходное напряжение (положительное или отрицательное) близко к напряжению питания. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

Энергетические характеристики

Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Частотные характеристики

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов - его скоростными или динамическими параметрами.

Частотная зависимость коэффициента усиления ОУ без обратной связи называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

На низких частотах коэффициент усиления операционного усилителя без ОС очень велик и остается постоянным до частоты, называемой частотой среза (f_ср,), а затем появляется спад АЧХ, коэффициент усиления начинает уменьшаться. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По граничной частоте (f_гр), которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в , оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ десятки мегагерц.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Частота (f₁), при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления.

Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазо-частотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 8.8).

Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать амплитудно-частотную характеристику ОУ.

Скоростные характеристики

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 8.9).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Скорость нарастания выходного напряжения - это отношение приращения (U_вых) к интервалу времени (t), за который происходит это приращение при подаче на вход прямоугольного импульса. То есть

V_{U вых} = U_вых / t

Чем выше частота среза, тем больше скорость нарастания выходного напряжения. Типовые значения V_{U вых} - единицы вольт на микросекунды.

Время установления выходного напряжения (t_уст) - время, в течение которого U_вых операционного усилителя изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения U_вых при воздействии на вход ОУ прямоугольных импульсов. Время установления обратно пропорционально частоте среза.

8.3 Классификация ОУ

В соответствии с ГОСТ 4.465 - 86 все ОУ делятся на следующие группы по совокупности их параметров:

· универсальные (общего применения), у которых К_u = 10³...10⁵; f₁ = 1,5...10 МГц;

· прецизионные (инструментальные), у которых К_u > и гарантированные малые уровни U_см (меньше 0,5 мВ) и его дрейфа;

· быстродействующие со скоростью нарастания выходного напряжения

· V_{u вых} > 20 В/мкс и частотой единичного усиления f₁ > 15 МГц;

· регулируемые (микромощные) с током потребления I_пот < 1 мА;

· мощные и высоковольтные ОУ;

· многоканальные.

8.4 Применение операционных усилителей

Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов и применяется в самых разнообразных схемах. На основе операционных усилителей (ОУ) создаются схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложения, вычитания, интегрирования, выделения модуля функции и т.п.). Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления. Наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ, а также ряд схем, в которых ОУ используются в нелинейном режиме (мультивибратор, одновибратор, генератор линейно изменяющегося напряжения и т.д.).

Главным недостатком ОУ является нестабильность коэффициента усиления, который в полупроводниковых усилителях очень сильно зависит от режима работы, в первую очередь от температуры, и меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах. Кроме того, линейный участок АЧХ ограничен весьма малыми значениями входных напряжений. Поэтому ОУ используются с цепями обратной связи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основными схемами на ОУ являются инвертирующий и неинвертирующий усилители, режим работы которых осуществляется в пределах линейного участка передаточной характеристики. Любое схемотехническое решение с применением ОУ содержит одно из таких включений. Также весьма важны схемы компенсации напряжения сдвига

При анализе схем на ОУ обычно принимают следующие упрощающие предположения

· коэффициент усиления стремится к бесконечности;

· входы ОУ не потребляют тока;

· входное сопротивление стремиться к бесконечности;

· напряжение между входами равно нулю.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

В неинвертирующем усилителе (рис. 8.10) коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R₁ и R_ос. В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R₁ и поданную на инвертирующий вход. Схема обладает высоким полным входным сопротивлением.

Выражение для коэффициента усиления этой схемы можно получить, используя условие равенства напряжений на входах ОУ и считая ОУ идеальным. Тогда

Размещено на http://www.allbest.ru/

,

отсюда коэффициент усиления схемы равен:

.

Повторитель напряжения

Если в неинвертирующем усилителе положить R₁ равным бесконечности (R₁ = ?), а R_ос равным нулю (R_ос= 0), то мы придём к схеме, изображённой на рис. 8.11.

Согласно принятым допущениям, напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению (U_вх). Но, с другой стороны, неинвертирующий вход соединен с выходом схемы. Следовательно, Uвых = U_вх, то есть выходное напряжение повторяет входное напряжение.

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Инвертирующий усилитель

В инвертирующем усилителе (рис. 8.12) входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R_ос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R₁ на инвертирующий вход ОУ.

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами U₀ = 0, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому I_вх = U_вх / R₁. Так как входы ОУ не потребляют тока, то

I_ос = I_вх = U_вх / R₁.

Выходное напряжение, то есть напряжение на выходном выводе относительно общей шины, можно найти как падение напряжения от тока I_ос на резисторе R_ос, т.е.

U_вых = -R_осI_ос = -U_вхR_ос / R₁.

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен:

K_{u инв} = U_вых / U_вх = -R_ос / R₁.

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R₁ выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения (U_вх), а R_ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Если выбрать R_ос = R₁, когда К_uос = -1, то схема (см. рис. 8.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения.

Поскольку U₀ > 0, входное сопротивление схемы R_вх = R₁, выходное сопротивление усилителя равно:

R_вых = (R_{вых оу} (1 + R_ос / R₁)) / К_u,оу.

При коэффициенте усиления ОУ, стремящемся к бесконечности (К_u,оу > ?) выходное сопротивление стремится к нулю (R_вых > 0).

Инвертирующий сумматор

В схеме трехвходового сумматора (рис. 8.13) потенциал суммирующей точки (точка А) равен потенциалу земли. Поэтому:

;;.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Все эти токи проходят через R_ос, т.е.

I_C = I₁ + I₂ + I₃.

Это значит, что I₁, I₂, I₃ не влияют друг на друга. Следовательно, и входные напряжения Е_вх1, Е_вх2, Е_вх3 не взаимодействуют друг с другом.

По аналогии с инвертирующим усилителем:

.

Или учитывая, что R_ос = R, имеем:

.

Если в схеме (см. рис. 8.13) требуется просуммировать только два входных сигнала (Е_вх1, Е_вх2), третий вход можно просто заземлить.

Для n входов выходное напряжение равно:

U_вых = -( E_вх1 + E_вх2 + …+ E_вхn ),

где n - число входов.

Суммирующие схемы могут работать как при постоянных, так и при переменных напряжениях. В случае необходимости суммирования входных сигналов с разными весовыми коэффициентами целесообразно использовать схему рис. 8.14. Выходное напряжение сумматора определяется аналогично:

.

Усредняющий усилитель

Усредняющий усилитель дает на выходе напряжение, пропорциональное среднему значению всех входных напряжений. В качестве такого усилителя может быть использован сумматор (см. рис. 8.13), если взять R_ос = R / 3. В этом случае

.

Внешняя компенсация сдвига

Некоторые усилители имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств, для устранения сдвига нуля (U_сдв), приходится добавлять внешнюю резисторную цепь для компенсации напряжения сдвига.

В схеме (рис. 8.15, а), хотя I_см и невелик, но он все же существует и, если даже U_сдв равно нулю, I_см, протекая через параллельное соединение сопротивлений R₁ и R_ос, вызовет появление на выходе напряжения:

U_{сдв.вых} (I_см) = I_см(R₁ || R_ос).

Поскольку ток смещения (I_см2) неинвертирующего входа (рис. 8.15, б) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (I_см1), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление R_к = R₁ || R_ос, получим напряжение, возникающее на R_к, приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от I_см1.



Для компенсации U_сдв, вызванного небалансом U_бэ, следует установить делитель, с помощью которого можно было бы компенсировать даже U_сдв._max, не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи.

В схеме (рис. 8.16) установки нуля напряжения сдвига (потенциометр R_п)

R₃ + R₂ = R_к.

Это условие компенсации напряжения сдвига выхода, вызванного токами смещения. Сопротивление R₄ выбирается так, чтобы параллельное соединение R₃ и R₄, было примерно равно R₃. Это означает, что R₃ выбирается малым, а R₄ - большим. Диапазон регулировки напряжения сдвига приблизительно равен ± U R₃/R₄, так как R₄>>R₃. Потенциометр R_п должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник питания, но вместе с тем, ток через потенциометр должен быть, по крайней мере, в 20 - 40 раз больше I_см, так как R₃ и R₄ образуют делитель напряжения.



Компенсация U_сдв в неинвертирующем усилителе осуществляется аналогично, однако делитель напряжения устанавливается в цепи ОС, так что очень важно, чтобы R₄ было много больше R₃ (рис. 8.17).

Заметим, что R₁ = R₃ + R₅. Эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с ОС. Сопротивления R_п и R₄ выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (рис. 8.18) дает возможность измерять и усиливать слабые сигналы. Все применяемые резисторы прецизионные (с допуском не более 1 %).

Так как дифференциальный усилитель - линейный элемент, то при определении его параметров справедлив принцип наложения. Положим, что источник напряжения Е₂ замкнут накоротко. Для источника Е₁ схема является инвертирующим усилителем с коэффициентом усиления -R₂/R₁, т.е.

.

Если закорочен источник Е₂, то напряжение Е₁ делится резисторами R₃ и R₄. Напряжение на неинвертирующем входе равно:

,

а выходное напряжение

.

При наличии обоих источников напряжения (Е₁ 0, Е₂ 0) выходное напряжение равно:

.

При выполнении условия:

,

выходное напряжение дифференциального усилителя пропорционально разности напряжений, приложенных к инвертирующему и неинвертирующему входам:

.

При равенстве входных напряжений (E₁ = E₂) выходное напряжение равно нулю, то есть для синфазного входного напряжения U_вых = 0. Схема подачи синфазного выходного сигнала Е_синф представлена на рис. 8.19.

В идеале Е_синф никак не влияет на выходное напряжение усилителя. В действительности же за счёт отличия К_синф от нуля U_вых хотя и в очень незначительной степени отслеживает изменения Е_синф. Резистором R_п обеспечивается балансировка схемы (установка нуля выходного напряжения при Е_синф = 0). Благодаря тому, что

,

усилитель позволяет выделить слабый сигнал на фоне сильной помехи. Для этого необходимо сделать так, чтобы для дифференциального усилителя помеха была синфазным напряжением, а полезный сигнал - дифференциальным.

Схема синфазного сигнала (см. рис. 8.19) имеет два основных недостатка:

· низкое входное сопротивление

· трудность изменения коэффициента усиления, так как для этого надо одновременно изменять два сопротивления, которые должны быть точно согласованы.

Неинвертирующий сумматор

В схеме неинвертирующего сумматора (рис. 8.20) при выполнении условия:

выходное напряжение определяется следующим образом:

.

Если сопротивления в цепях одинаковы

R_ос' = R₁' = R₂',

то выходное напряжение равно:

U_вых = U₁ + U₂.



При суммировании n входных сигналов с весовыми коэффициентами обязательно соблюдение условия:

,

где n - число входов.

Схема сложения-вычитания

Схема сложения-вычитания (рис. 8.21) представляет собой обобщение схемы усилителя с дифференциальным входом. Общее выражение для выходного напряжения схемы сложения вычитания очень громоздкое, рассмотрим условия необходимые для правильной работы этой схемы.

Эти условия сводятся к тому, чтобы сумма коэффициентов усиления инвертирующей части схемы была равна сумме коэффициентов усиления ее неинвертирующей части. То есть инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления должны быть сбалансированы.

Символически это можно выразить следующим образом:

,

где m - число инвертирующих входов, n - число неинвертирующих входов.

Отсюда имеем:

Интегратор

Интегратором называется электронный усилитель, выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала. Интегратор представляет собой линейную схему на ОУ, в цепи отрицательной обратной связи которой применен реактивный элемент (индуктивность или емкость). Для построения активного интегратора может использоваться как инвертирующее, так и неинвертирующее включение ОУ (рис. 8.22).

Если ОУ близок к идеальному, то есть полагать, что потенциалы его инверсного и прямого входов одинаковы, а входные токи равны нулю, тогда, как и для инвертирующего усилителя,

 и ,

а ток через конденсатор и напряжение на нем связаны известным соотношением:

.

Подставляя в последнее выражение ток конденсатора, получим:

,

где знак «минус» отражает свойство схемы интегратора инвертировать фазу.

Дифференциатор

Простейший дифференциатор, выполненный на ОУ (рис. 8.23) является инвертирующим усилителем, во входную цепь которого включен конденсатор. Дифференциатор создает на выходе напряжение, пропорциональное скорости изменения входного.

При дифференцировании усилитель должен пропускать только переменную составляющую входного напряжения, и коэффициент усиления дифференцирующей схемы должен возрастать при увеличении скорости изменения входного сигнала.

Работу дифференциатора можно проанализировать так же, как интегратора. Но теперь уже , а . Поэтому, учитывая, что

,

получим

.

К сожалению, схема, представленная на рис. 8.23, неустойчива, в ней наблюдаются шумы высокой частоты. Для устранения этих недостатков схему усложняют, вводя в нее два резистора и , и конденсатор (рис. 8.24).

Логарифмический усилитель

Для получения логарифмической характеристики усилителя необходимо иметь устройство с логарифмической характеристикой и включать его в цепь обратной связи. Устройством, обладающим такой характеристикой, является полупроводниковый p-n-переход.

Ток через полупроводниковый диод равен:

, (8.1)

где I₀ - тепловой обратный ток утечки диода, e - заряд электрона (1,6 Кл), U - напряжение на диоде, k - постоянная Больцмана (1,38Дж/К), Т - абсолютная постоянная температура в Кельвинах.

При температуре 25 ^оС значение теплового потенциала ц_т составляет 26 мВ. Поэтому при U>>ц_т выражение (8.1) можно упростить:

. (8.2)

Аналогично можно записать выражение для коллекторного тока транзистора с ОБ:

, (8.3)

где U_бэ - напряжение «эмиттер - база», I_эо - ток перехода «эмиттер - база» при небольшом обратном смещении.

Как диод, так и транзистор можно использовать для получения логарифмической зависимости (рис.8.25).

Чтобы показать, каким образом диод в цепи ОС формирует логарифмическую характеристику решим уравнение (8.1) относительно напряжения на диоде (U_д), учитывая, что U_д = U_вых.

Из уравнения (8.2), получим:

,

откуда,

.

Так как

,

следовательно,

;

.



Логарифмический усилитель имеет выходное напряжение только одной полярности, которая определяется направлением включения диода.

Для получения большого диапазона входного напряжения можно использовать в качестве логарифмического элемента в цепи ОС транзистор, включенный по схеме с ОБ (рис. 8.26). Так как I_к = -I_R, решая уравнение (8.3) относительно U_бэ, получим:

.

Выходное напряжение схемы будет отрицательно при положительном выходном напряжении.

В схеме логарифмической зависимости напряжение U_бэ = F(I_к) используется для получения выходного напряжения, пропорционального логарифму положительного напряжения.



Для получения антилогарифмического (экспоненциального) усилителя в рассмотренных схемах полупроводниковый прибор и резистор необходимо поменять местами (рис. 8.27). Для этих схем иожно записать выражение для выходного напряжения:

U_вых = -R·I₀·exp(U_вх / ц_т).

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 ф = R₁C₁ (рис. 8.29, a), что обусловливает большое время установления номинального режима работы ОУ.

9. УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

9.1 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).

Рис. 9.3. Появление ложных срабатываний компаратора: а - подключение источника входного сигнала и генератора шума к ОУ; б - временная диаграмма, поясняющая возникновение ложных срабатываний

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.

Рис. 9.4. Схема компаратора с положительной обратной связью (а) и его передаточная характеристика (б)

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.

9.2 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:

.

10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

10.1 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).

10.2 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.

10.2.1 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.

10.2.2 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.

10.2.3 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.

10.3 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 СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Цель работы: изучить методику экспериментального исследования статических характеристик биполярного транзистора и определения по ним h-параметров.

Описание лабораторной установки

Работа выполняется на универсальной установке 87Л-01 (рис. 1).

Ток базы I_б (входной для данной схемы) подается от генератора тока ГТ, напряжение U_кэ (выходное) - от генератора напряжения ГН2. Измерительные приборы, а также пределы их измерений выбираются исходя из паспортных данных исследуемого транзистора.

Порядок выполнения работ

1. Изучить принцип действия транзистора, обратив внимание на его основное свойство - способность усиливать электрические сигналы.

2. Выписать из справочника основные параметры исследуемого транзистора

3. Для исследования ВАХ транзистора собрать схему с ОЭ (см. рис. 1).

4. Снять семейство входных характеристик при напряжениях U_кэ = 0 и U_кэ = 10 В и управляющую характеристику при напряжении U_кэ =10В. Напряжение U_бэ изменять от нуля до значения, при котором ток коллектора достигает значения I_к.доп для данного транзистора. Обе зависимости рекомендуется воспроизвести на одном графике, выбрав разные масштабы по оси токов.

...