Тема 15. Аналоговые электронные устройства на интегральных микросхемах
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

 

15.1. Общие сведения об интегральных микросхемах

 

По мере развития технологической и элементной базы микроминиатюризация аппаратуры прошла через этапы транзисторного и микромодульного конструирования функциональных узлов. Современным этапом микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры является применение интегральных микросхем (ИМС). В свою очередь, использование унифицированных функциональных узлов на основе интегральных микросхем позволит решить ряд технико-экономических задач:

· создание аппаратуры с минимальными размерами и массой;

· повышение срока службы и надежности аппаратуры;

· автоматизация технологических процессов сборки функциональных узлов и ремонта аппаратуры;

· уменьшение потребляемой энергии;

· снижение себестоимости.

 

Применение интегральных микросхем приводит к новым представлениям об оптимальном построении функциональных узлов, оказывает глубокое влияние на разработку, изготовление и ремонт аппаратуры. Построение усилительных устройств на основе интегральных микросхем базируется на многоцелевом использовании однотипных интегральных схем в сочетании с некоторыми внешними цепями и компонентами.

Интегральные микросхемы состоят из сотен активных и пассивных элементов, полученных в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла в едином технологическом цикле. Эти элементы соответствующим образом соединены между собой и заключены в общий корпус. Планарная технология позволяет получить плотность упаковки в интегральных микросхемах в тысячи раз больше, чем плотность упаковки в микромодульной конструкции.

Интегральные микросхемы по своему назначению подразделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и усиления непрерывных сигналов. К ним предъявляются довольно жесткие требования с точки зрения стабильности характеристик и точности воспроизведения сигнала. Цифровые интегральные микросхемы предназначены для передачи и переработки цифровой информации. В аналоговых интегральных устройствах применяются аналоговые интегральные микросхемы.

По технологическим признакам интегральные микросхемы подразделяются на полупроводниковые, пленочные и гибридные. Наибольшее распространение получили полупроводниковые интегральные схемы, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Пленочные и интегральные схемы выполняются на диэлектрической подложке путем напыления. Гибридные ИМС представляют собой комбинацию дискретных навесных активных компонентов и пленочных пассивных элементов, напыленных также на диэлектрической подложке.

На выпускаемые и разрабатываемые в нашей стране интегральные микросхемы установлена классификация и система обозначений. В соответствии с принятым ГОСТом 18682-73:

первый элемент – цифра, указывающая конструктивно-технологическое исполнение микросхемы:

1; 5; 7 – полупроводниковые;

2; 4; 6; 8 – гибридные;

3 – прочие (пленочные, вакуумные и т.д.);

второй элемент – две цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем (от 00 до 99);

третий элемент – две буквы, обозначающие функциональное назначение микросхем;

четвертый элемент – порядковый номер разработки микросхем по функциональному признаку в данной серии.

Буквы К, КН, КР обозначают условия их приемки. Не останавливаясь на всем многообразии вариантов обозначений, приведем расшифровку буквенных обозначений микросхем:

УН – усилитель низкой частоты;

УЕ – усилители-повторители;

УИ – импульсные усилители;

УВ – усилители высокой частоты;

УР – усилители промежуточной частоты;

ПС – преобразователи частоты;

ДА – детекторы амплитудно-модулированных сигналов;

ДС – детекторы частотно-модулированных сигналов;

УД – операционные и дифференциальные усилители.

Первые два элемента обозначения определяют номер серии интегральных микросхем, объединяющих микросхемы, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

 

15.2. Особенности интегральной схемотехники

 

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 многофункционального 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 много эмиттерные 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.

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 много эмиттерные транзисторы.

Много эмиттерный 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 использованием 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.

 

15.3. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах.

 

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

Рисунок 15.1. 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 R 3 и R 5, соединяющие эмиттер V 2 и базу V 1, 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.15.2), 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.

 

Рисунок 15.2.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 передачи 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 рассчитывают исходя из заданной верней граничной частоты.

Вариант 2. Двухкаскадный усилитель (рис.15.3), в котором первый каскад выполнен с ОЭ а второй - с ОК.

Рисунок 15.3. 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.15.4), 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 = 30 Гц, f в=20 кГц, К0 = 100, R вх = 50кОм.

Рисунок 15.4. 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.

 

15.4. Усилитель мощности на интегральных микросхемах

 

Для построения усилителей мощности используются ИМС серии 174, которые представляют собой предварительные и оконечные усилители звуковой частоты. Рассмотрим принципиальную схему ИМС 174 УН5, рис.15.5, используемую в выходных усилителях звуковоспроизводящих устройств.

Рисунок 15.5. Принципиальная схема ИМС 174УН5

 

 Выходной каскад построен на составных транзисторах. Верхнее плечо V8, V9 представляет собой составной транзистор с ОК, нижнее плечо построено на транзисторах V10, V11, V12. В отличие от верхнего плеча нижнее плечо имеет буферный эмиттерный повторитель на V11, восполняющий недостаточную способность усиливать ток транзистора V10 р-n-р структуры.

Входной дифференциальный каскад собран на транзисторах V1 и V2. Усиленный сигнал снимается только с коллектора V1, т.е. имеет несимметричный выход. Поэтому для согласования потенциальных уровней применяется схема сдвига уровня постоянного напряжения на элементах V3 (буферный эмиттерный повторитель) и R3, R4 (делитель напряжения).

Второй предвыходной каскад собран на транзисторе V7 с сопротивлением нагрузки R6. В цепи коллектора V7 подключен транзистор V6 в диодном включении для подачи напряжения смещения на выходные транзисторы V8 и V10. Транзисторы V4V8 подключены для стабилизации точек покоя.

Схема включения ИМС К174УН5 приведена на рис.15.6.

Рисунок 15.6. Схема включения ИМС К118УН5.

 

Назначение внешних компонентов:

C1 – разделительная емкость, номиналом которой определяется нижняя граничная частота;

С2 – емкость развязывающего фильтра;

R1,R2 – делитель напряжения, определяющий рабочую точку VI ;

С3 – корректирующая емкость, обеспечивающая устойчивую работу ИМС;

R3 – внешняя нагрузка;

R4 и R5 (параллельно С5R6) составляют делитель в цепи последовательной ООС по напряжению.

Напряжение ООС подается на базу V 2 (вывод 6). Глубина ОС по постоянной составляющей, а также на НЧ несколько больше за счет влияния C5. Эта емкость рассчитывается по заданной верхней граничной частоте. Конденсатор Е4 позволяет включить нагрузочное сопротивление предвыходного каскада (R6) по переменному току между базой и эмиттером составных транзисторов.

 

Дата: 2019-02-19, просмотров: 342.