Последние достижения в области физики и технологии полупроводников, математики, химии, радиотехники позволили перейти к новому этапу миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры - созданию и совершенствованию интегральных схем.

Интегральная микросхема (ИС)-микроэлектронное изделие, выполняющее функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов или кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке-и эксплуатации - рассматривается как единое целое.

Различают следующие ИС: пленочные, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в виде пленок; бескорпусные гибридные, содержащие кроме пленочных элементов навесные компоненты (транзисторы, диоды, конденсаторы); полупроводниковые, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме или на поверхности полупроводника.

Низкоомные пленочные резисторы гибридных микросхем (сопротивлением от 0,01 Ом до 10 кОм) получают из чистого хрома, тантала или нихрома, нанося эти материалы в виде тонких пленок на электрическую подложку. Для получения высокоомных пленочных резисторов используют оксидные пленки, например из оксида олова. Так как эти пленки обычно относятся к материалам с электропроводностью л-типа (из-за присутствия кислородных вакансий), то добавка сурьмы снижает, а добавка индия повышает удельное сопротивление.

Полупроводниковые ИС изготовляют по планарной технологии, широко применяемой в производстве дискретных транзисторов. Основой планарной технологии является последовательное создание методом диффузии слоев р- и л-типа в объеме кремниевой подложки.

Так как все элементы полупроводниковой ИС создаются в объеме полупроводникового монокристалла, то возникает проблема электрической изоляции компонентов друг от друга. Для решения этой проблемы используются два метода изоляции: 1) обратно-смещенным р-л-переходом; 2) диэлектриком. Наиболее распространенной является изоляция обратносмещенным р-л-переходом, так как в этом случае существенно снижается стоимость ИС.

Транзисторы полупроводниковых ИС с изоляцией диэлектриком по параметрам близки к дискретным транзисторам, однако у интегральных транзисторов выводы всех электродов выполняются с одной стороны кристалла.

Биполярные транзисторы полупроводниковых ИМС с изоляцией р-л-переходом представляют собой четырехслойную структуру с тремя р-л-переходами, один из которых - изолирующий. Наличие этого перехода приводит к появлению паразитных элементов й ухудшает параметры интегральных транзисторов по сравнению с дискретными.

Полевые транзисторы с управляющим р-и-переходом выполняются совместно с биполярными на одном кристалле в едином технологическом цикле, составляя таким образом один тип ИС. Биполярные и МДП-транзисторы, как правило, совместно не изготовляются, т. е. разрабатываются два типа ИС: на биполярных и полевых МДП-транзисторах.

В качестве диодов в полупроводниковых ИС обычно используют транзисторы в диодном включении. В зависимости от схемы включения транзистора изменяются параметры диода.

Резисторы полупроводниковых ИС получают, используя объем полупроводника, заключенный между двумя выводами. Сопротивление такого резистора определяется удельным сопротивлением полупроводника и геометрическими размерами.

Для полупроводниковых ИС объемные резисторы более технологичны, чем пленочные, так как создаются одновременно с остальными элементами микросхемы. Однако они характеризуются большим разбросом параметров, сильной температурной зависимостью сопротивления и существенными паразитными эффектами. Размеры полупроводниковых резисторов, даже при сопротивлении порядка нескольких килоом, значительно превышают размеры транзисторов. Так как сопрогивлепие объемных резисторов не превышает нескольких десятков килоом, то при создании ИС с повышенной степенью интеграции стремятся уменьшить количество резисторов в схеме или совсем исключить их.

Роль конденсаторов полупроводниковой интегральной микросхемы выполняет емкость обратносмещенного р-и-перехода, максимальное значение которой составляет примерно 100-200 пФ. Большие значения емкостей трудно реализовать в ограниченном объеме кристалла, поэтому интегральные микросхемы разрабатывают с минимальным количеством конденсаторов. Индуктивные катушки и трансформаторы в микроэлектронных устройствах применяются только как навесные элементы гибридных микросхем, так как формирование индуктивной катушки в объеме ИС практически невозможно. Полупроводниковые ИС представляют собой законченные функциональные устройства, элементы которых выполняются в едином технологическом цикле. Поэтому параметры полупроводниковых интегральных микросхем имеют меньший разброс и темпера-

турную зависимость, чем параметры аналогичных функциональных устройств, выполненных на дискретных элементах. Однако полупроводниковые ИС требуют сложного оборудования и крупных начальных капиталовложенний. Кроме того, недостатком полупроводниковых ИС является наличие паразитных связей между элементами и подложкой. Несмотря на это технология изготовления полупроводниковых ИС позволяет получать их надежнее и дешевле гибридных микросхем с навесными элементами. По количеству составных элементов интегральные микросхемы делят на схемы с малой степенью интеграции (до 100 элементов); средней (до 1000) и большой (свыше 1000).

При проектировании ИС с большой степенью интеграции (БИС) необходимо решить две проблемы. Первая - возможность уменьшения геометрических размеров элементов схемы. Эти размеры определяются заданными электрическими параметрами и разрешающей способностью технологического оборудования. При этом следует учесть, что для изготовления БИС требуется более трудоемкий технологический процесс, чем для изготовления ИС с малой степенью интеграции. Вторая проблема - обеспечение отвода теплоты. Увеличение плотности упаковки элементов в интегральной микросхеме обусловливают увеличение удельной мощности рассеяния. Работа элементов в условиях повышенной температуры приводит к уменьшению надежности элементов и микросхемы в целом. Поэтому БИС, как правило, имеют специальные конструкции корпусов.

В настоящее время уровень интеграции БИС достигает нескольких тысяч элементов на одном кристалле. Создание и серийный выпуск таких БИС позволили перейти к созданию микропроцессоров.

Микропроцессор - это функционально законченное и полностью автономное цифровое устройство, реализованное на одной или нескольких БИС и обеспечивающее обработку информации и управление по заданной программе. Микропроцессоры рассчитаны на совместную работу с устройствами памяти и ввода - вывода информации. Эти устройства поставляются в комплекте в виде семейства совместимых приборов, способных работать при тех же напряжениях питания, при которых работает микропроцессор.

Основным недостатком микропроцессоров является сравнительно низкое быстродействие устройств на микропроцессорах, что обусловлено принципиально последовательным характером выполнения программы. Повышение быстродействия микропроцессоров тесно связано с совершенствованием технологии изготовления БИС.

РАЗДЕЛ I

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ И РЕЛЕЙНЫЕ СХЕМЫ

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ УСИЛИТЕЛЕЙ

Источник питания

Рис 1 1

§ 1.1. Общие определения

Электронным усилителем называют устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большей мощности на выходе с минимальными искажениями формы.

Усиление мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от дополнительного источника, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, входной сигнал которого управляет преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Источниками входного сигнала являются микрофон, фотоэлемент, предшествующий усилитель, термопара, химический источник тока и т. д.

Диапазон мощностей, отдаваемых различными источниками входного сигнала на вход усилителя, широк. Например, напряжение, поступающее на вход усилителя от передающей телевизионной трубки, составляет всего 2-5 мВ при малой мощности. Однако такие источники, как предшествующий усилитель, могут создавать напряжение, достигающее сотен вольт при мощности около 1 Вт.

Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое потребителем или нагрузкой. В качестве потребителей электрического сигнала используются телефон, громкоговоритель, гальванометр, осциллограф, реле, последующий усилитель, электродвигатель и т. д.

Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах; например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.

Связь усилителя с источником входного сигнала, нагрузкой и источником питания показана на рис. 1.1.

§ 1.2. Коэффициент усиления. Линейные и нелинейные искажения

Основным параметром электронного усилителя является коэффициент усиления К. Коэффициент усиления мощности (напряжения, тока) определяется отношением мощности (напряжения, тока) выходного сигнала к мощности (напряжению, току) входного и характеризует усилительные свойства схемы. Выходной и входной сигналы должны быть выражены в одних и тех же количественных единицах, поэтому коэффициент усиления является безразмерной величиной.

В отсутствие реактивных элементов в схеме, а также при определенных режимах ее работы, когда исключается их влияние, коэффициент усиления является действительной величиной, не зависящей от частоты. В этом случае выходной сигнал повторяет форму входного и отличается от него в К раз только амплитудой. В дальнейшем изложении материала речь пойдет о модуле коэффициента усиления, если нет особых оговорок. .

В зависимости от требований, предъявляемых к выходным параметрам усилителя переменного сигнала, различают коэффициенты усиления:

а) по напряжению, определяемый как отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения к амплитуде переменной составляющей входного, т. е.

KuUJU ; (1.1)

б) по току, который определяется отношением амплитуды переменной составляющей выходного тока к амплитуде переменной составляющей входного:

АГ/ = /вь.х вх; (1-2)

в) по мощности

Так как вых - f/вых эф/вых эф == (С/вых/К2) (/ных/ /2) =

= /выхС/вых/2 и Pbx = LxUbk/2, то коэффициент усиления по мощности можно определить следующим образом:

Kp=- = -fjf=KiKu. (1.3)

Рвх вх. вх

При наличии реактивных элементов в схеме (конденсаторов, ин-дуктивностей) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину

к=m-]-Jn=К{cos-\- J sin if)=Ke}f, где m и n - действительная и мнимая составляющие, зависящие от частоты входного сигнала:

/C= /m2+ 2<P=arccos =:arctg -.

Положим, что коэффициент усиления К не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в К раз и по фазе на угол ф.

Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой конечного или бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как К - комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель изменяются по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного.

Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты pj j и пе зависящие от амплитуды входного

сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (характеризующие из.менение модуля коэффициента усиления К в цолосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме); ф азовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).

Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики, выражающей зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты. Амплитудно-частотная характеристика усилителя в общем виде представлена на рис. 1.2. Рабочий диапазон частот усилителя, внутри которого коэффициент усиления можно считать с известной степенью точности постоянным, лежит между низшей f и высшей /в граничными частотами и называется полосой пропускания. Граничные частоты определяют уменьшение коэффициента усиления на заданную величину от своего максимального значения Киа на средней частоте /о.

Введя коэффициент частотных искажений на данной частоте /,

M=Ku,lKuf, (1.4)

где - коэффициент усиления по напряжению на данной частоте, можно с помощью амплитудно-частотной характеристики определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеем на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают Коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах, т. е.

M,=KJK M.KadKu., (1.5)

где Ки-в и Кия - соответственно коэффициенты усиления по напряжению на высшей и низшей граничных частотах.

Обычно принимают Мп = Мъ=Ут. е. на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30-20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300-3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать так называемые широкополосные усилители, полоса пропускания которых располагается в диапазоне частот от десятков или единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.

h 0 >s

Г

Рис. 1.3

Для оценки качества усилителя часто пользуются параметром

D==2nKuoif.-f.)-Для широкополосных усилителей fsfn, поэтому

Противоположностью широкополосных усилителей являются избирательные усилители, назначение которых состоите усилении сигналов в узкой полосе частот (рис. 1.3).

Усилители, предназначенные для усиления сигналов со сколь угодно малой частотой, называются усилителями постоянного тока. Из определения ясно, что низшая граничная частота fa полосы пропускания такого усилителя равна нулю. Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока дана на рис. 1.4.

Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения. Фазовые искажения от-

сутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (пунктирная линия на рис. 1.5), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал Д^. Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте

где /Спр = 2яА^ - коэффициент пропорциональности, определяющий угол наклона характеристики к оси абсцисс.

Фазочастотная характеристика реального усилителя представлена на рис. 1.5 сплошной линией. Из рис. 1.5 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот.

Если коэффициент усиления зависит от амплитуды входного сигнала, то имеют место нелинейные искажения усиливаемого сигнала, обусловленные наличием в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками.

Задавая закон изменения /Си/(Ывх) можно проектировать нелинейные усилители с определенными свойствами. Пусть коэффициент усиления определяется зависимостью Ки=Лих, где Л -коэффициент пропорциональности.

Тогда при подаче на вход усилителя синусоидального входного сигнала вх = t/вх sin coi выходной сигнал усилителя

где Ubx, со - амплитуда и частота входного сигнала. Записав sin сй= (1-cos 2сй), получим

и„ х=---cos 2шЛ

Таким образом, выходной сигнал усилителя при синусоидальном входном сигнале будет иметь постоянную составляющую и косинусоиду двойной частоты.

Подключив на выход усилителя разделительный конденсатор большой емкости, можно исключить постоянную составляющую и использовать такой усилитель, как удвоитель частоты.

В общем случае при сложной зависимости /Си( вх) выходной сигнал усилителя состоит из постоянной f/выхо и гармонических составляющих с частотами, кратными частоте входного сигнала, т. е.

+ 1 Sin Ы + ?,) 4-1/2 sin {2Ы 4-срз) + j-Us sin (3(0/+ срз)

(1.6)

где ф1, ф2, фз - сдвиг по фазе между входным сигналом и соответствующей гармонической составляющей выходного сигнала.

Первая гармоническая составляющая в выражении (1.6) представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений.

Нелинейные искажения можно оценить с помощью так называемого коэффициента гармоник

2-Ь/з + ...

/2 1

(1.7)

Рис. 1 6

и, I-амплитудные значения соответственно мощности, напряжения и тока гармонических составляющих.

Индекс определяет номер гармоники. Обычно учитывают только вторую и третью гармоники, так как амплитудные значения мощностей более высоких гармоник сравнительно малы.

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

Амплитудная характеристика четырехполюсников, состоящих только из линейных элементов, при любом значении f/вх теоретически является наклонной прямой. Практически же максимальное значение (7вх ограничивается электрической прочностью элементов четырехполюсника. Амплитудная характеристика усилителя, выполненного на электронных приборах (рис. 1.6), в принципе нелинейна, однако может содержать участки OA, где кривая носит приблизительно линейный характер с большой степенью точности. Рабочий диапазон входного сигнала не должен выходить за пределы линейного участка (OA) амплитудной характеристики усилителя, иначе нелинейные искажения превысят допустимый уровень.

§ 1.3. Эквивалентная схема усилителя. Входное и выходное сопротивления

Как и всякий четырехполюсник, усилитель можно рассматривать в виде эквивалентных схем, представленных на рис. 1.7. В схеме рис. 1.7, а к входным зажимам усилителя подключается источник входного напряжения с внутренним сопротивлением /?г, а к выходным зажимам - сопротивление нагрузки.

Со стороны входа усилитель можно лентное сопротивление

представить как эквива-(1-8)

являющееся нагрузкой для источника входного сигнала, а со стороны выхода - в виде генератора напряжения Е с внутренним сопротивлением

/?3 , = d 3 ,/d3 = t/3 , Bb.x- (1-9)

Следует заметить, что в общем случае входное и выходное сопротивления могут быть комплексными величинами. Усилитель

ЭДС генератора напряжения В пропорциональна входному напряжению, т. е.

(1.10)

где А - коэффициент пропорциональности.

ЭДС Е численно равна выходному напряжению усилителя, работающего в режиме холостого хода (при отключенной нагрузке Rn). Следовательно, в этом случае можно записать

= вых/вх=А^.х- (1.11) р„с. 17

Схема рис. 1.7, б отличается от схемы рис. 1.7, а тем, что генераторы напряжения Ег к Е представлены в виде генераторов тока.

Параметры /?вх и Rbuk характеризуют взаимодействие усилителя с внешними цепями.

От соотношения /?вх и Rr, Rbux и Ra зависят значения коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности усилителя. Если основным требованием, предъявляемым к усилителю, является усиление напряжения (тока) до заданного уровня, то такой усилитель условно называется усилителем напряжения (тока), хотя в обоих случаях происходит усиление мощности. Усилителями же мощности обычно называются усилители, обеспечивающие в нагрузке заданное или максимальное значение мощности.

Входным сигналом усилителя, эквивалентная схема которого показана на рис. 1.7, а, является напряжение Ег с внутренним сопротивлением Rr. Поэтому коэффициент усиления по напряжению

Определим условия, при которых получим максимальное значение Киг- Воспользовавшись эквивалентной схемой (рис. 1.7, а). Можно записать