в сериях 3130/3140/3160 и в микромощном ОУ ICH8500. Обычный входной каскад опять-таки представляет собой р-канальную дифференциальную пару со смещением от источника тока, работающую на нагрузку в виде токового зеркала на биполярных транзисторах. Так как МОП-транзистор легко может быть поврежден статическим электричеством, в схему входа добавлены защитные диоды.

Ситуация с синфазным входным сигналом здесь также несколько своеобразна. Поскольку входные транзисторы суть устройства обогащенного типа, постольку входы могут возбуждаться напряжением, меньшим отрицательного питания на 0,5 В. Это удобно для схем с однополярным питанием. Операционные усилители с МОП-транзисторными входами имеют наименьшие значения входного тока (для ICH8500 поразительная величина: 0,01 пА во всем диапазоне температур).

Схемы 3130/3160 используют МОП-транзисторы и в выходном каскаде. Таким образом достигается возможность изменения выходного сигнала во всем диапазоне между двумя напряжениями питания - очень полезное свойство для схем, у которых ожидаемый выходной сигнал может доходить до значений напряжений питания. Как пример такой схемы вспомним генератор треугольных импульсов, описанный в разд. 3.28. Используемые здесь ОУ имеют выходной диапазон, меньший напряжения питания, и не могут работать до ±15 В. Их дифференциальное входное напряжение ограничено скромной цифрой dz8 В. Недорогие БиМОП-схемы серии СА080 будут работать во всем диапазоне стандартного питания ±15 В и имеют расширенные диапазоны синфазного и дифференциального входного сигнала. Их дополняет популярная и недорогая серия TL080 БиПТ с р - п-переходом ОУ.

Во многих других аналоговых устройствах также можно получить некоторые преимущества за счет применения БиПТ- или БиМОП-тех-нологии. Приведем как пример двойной компаратор 3920 с МОП-транзисторными входами и монолитную ИМС слежения - хранения LF398, в которой используются в качестве аналоговых ключей р-ка-нальные ПТ с р - п-переходом.

Аналоговые ИС, построенные с применением МОП-транзисторов, имеют некоторые недостатки; из них наиболее заметны высокий уровень шума и тенденция напряжения смещения к временному дрейфу при наличии дифференциального входного напряжения. Эти эффекты рассматриваются в гл. 7 в связи с конструированием прецизионных и малошумящих схем.

6.20. Мощные МОП-транзисторы

МОП-транзисторы обогащенного типа, способные работать при высоком напряжении и сильных токах, появились недавно и притом по вполне доступным ценам. Они выпускаются под названиями УМОП (вертикальная МОП-структура с V-образной канавкой) и HEXFET ;

1 HEXFET (Г-ПТ) структуры с гексагональной (шестиугольной) формой истока. Так же как и в УМОП, в них используется короткий вертикальный канал (не-, Планарная технология), причем стоком служит подложка,- Прим, ред.

В последних используется процесс, разработанный фирмой International Rectifier (IR). Эти приборы имеют прекрасные характеристики по току и напряжению. Семейство HEXFET включает приборы с максимальным током стока до 28 А, максимальным напряжением сток - исток 100 В и максимальным сопротивлением во включенном состоянии 0,055 Ом. Выпускаются и другие типы - с напряжением пробоя 400 В. В США целый ряд фирм, таких, как Siliconix, Supertex, IR, и еще более крупных производителей полупроводниковой аппаратуры (Motorola, RCA, TI), занимаются выпуском мощных МОП-транзисторов. В Японии, где этот процесс был впервые разработан, мощные МОП-транзисторы также выпускаются несколькими компаниями. Небольшие УМОП-приборы стоят меньше доллара, и возможность их использования в схемах, традиционно выполняемых на мощных биполярных транзисторах, заслуживает внимания. Среди прочих преимуществ мощных МОП-транзисторов отметим высокое входное сопротивление (однако остерегайтесь высокой входной емкости, особенно для сильноточных устройств) и полное отсутствие вторичного пробоя или саморазогрева. Так как ток стока МОП-транзистора падает при увеличении температуры, в них не происходит слияния горячих точек , что ведет к вторичному пробою в биполярном транзисторе, и поэтому область безопасной работы здесь ограничена только предельно допустимой мощностью рассеяния (см. график зависимости допустимого коллекторного тока от напряжения на коллекторе, разд. 5.07). Усилители мощности на МОП-транзисторах не имеют неприятных тенденций к уходу параметров, за которые мы так любим биполярные транзисторы, и наконец, мощные МОП-транзисторы могут быть включены без токовыравнивающих резисторов, которые для биполярных транзисторов необходимы.

Как и насыщенный ключ, мощный МОП-транзистор естественно использовать как выходное устройство для сопряжения маломощных

логических схем, таких, как КМОП +24В (госш тлок) или даже старый добрый ТТЛ. Не-

которые из таких приборов имеют специфицированные значения /?вкл всего лишь при 5 В возбуждения затвора, поэтому они могут работать прямо от ТТЛ (используйте подтягивающий к +(/кк-резистор), но VMOn-устройства с наибольшими токами требуют уровней возбуждения КМОП (т. е. работают от 10-15 В) для хорошего включения. На рис. 6.58 показан пример ключа КМОП, управляющего сильноточной нагрузкой. Помните, что МОП-транзистор во включенном состоянии при малых значениях стокового напряжения ведет себя как малое сопротивление

Усе НОЕ J.

1N400Z

То.ЗВ (максимум во - включенном состоянии]

iVN66AF

КМОП-вВнТ4011 тиль

Рис. 6.58. На схеме показано мощное реле Magnegraft W97CPX-2 (ток обмотки 100мА, ток контактов 25 А).

Мощные МОП-транзисторы

j) Диоды защиты затвора по нескольким причинам являются лишней роскошью для разработчиков мощных МОП-транзнсторов. Мощные МОП-тран-знсторы с их большой входной емкостью обладают большим запасом электропрочностн и не так легко повреждаются. Диоды защиты входа сни-жанэт- границы диапазона затвора в сторону ВЫКЛ и сами могут выходить из строя. Но старые привычки отмирают медленно, и все еще выпускаются мощные МОП-транзнсторы с защитой затвора. fc=l мА. Uq2-2o В. ) ) /0= А. ) /(;=100 мА. ) /(;=5 мА.

* Напряжение измерения в^л. мас-

ГлйРа 6

Удачные схемы

2N440t

?N4401

Нагрузка ]-,

МЕМ517СЗ

в

2.2, МОм

Увх 1000 пФ

ООО МОм -II >j --

МОг.гМ

10 к0.м

;Б44 1Выход

Рис. 6.59.

а - прецизионный источник тока; б - прецизионный приемник тока; в - амперметр; г - повторитель с большим входным сопротивлением.

Негодные схему

Входной

с

+15 р.

Входной ,п Q ,..., и„ -

+15 р, -15-1 L.

±10 В вход -I

22kOm

(а не как насыщенный биполярный транзистор), Ло может оказаться выгодным, так как напряжение иа нем стремится к нулю при малых токах стока; с другой стороны, это значит, что напряжение стока меняется линейно вместе с током стока, а не имеег довольно резкую характеристику насыщения, как у мощного биполярного транзистора.

Мощные МОП-транзисторы выпускаются также в виде р-канальных приборов, хотя среди п-канальных приборов их разновидностей го-)аздо больше. Устройства с малой емкостью, такие, как VMP4 и 3V1000 в мощных ленточных корпусах фирмы Siliconix, можно

100 ком

Г.01(0м

Сброс

20 В

э

to Ом

+10 в

Нагрузка

Вход-I

-Выход

-Выход

7.7: согласованные

л-канальные o6orau.(cii-ные mori-nipaii3Hf;;noi)bi

Рис. 6.60.

° - аналоговые ключи; б - ОУ с коммутирующими ключами; в - регулятор уснлення иа ПТа чот тегратор со схемой сброса: д - усилитель с усилением по напряжению 1000; в - доги, такии ключ; ж - источник тока; з -= комплементарный инвертор иа ПТ с р,-л-пеоеходом1 - повторитель с нулевым сдвигом.

14 ы. Слл

использовать в радиочастотных схемах. В ближайшие несколько лет мы, несомненно, увидим расцвет этой относительно новой технологии. Для выбора типов схем, доступных на данный момент, см, табл. 6.4.

СХЕМЫ, ПОНЯТНЫЕ БЕЗ ПОЯСНЕНИЙ

6.21. Удачные схемы

На рис. 6.59 представлена подборка хороших схем на ПТ.

6.22. Негодные схемы

На рис. 6.60 представлена подборка некорректных схемных идей; в некоторых из них имеются кое-какие тонкости. Можно многому научиться, разбираясь, почему же эти схемы работать не будут.

Глава 7

ПРЕЦИЗИОННЫЕ СХЕМЫ И МАЛОШУМЯЩАЯ АППАРАТУРА

В предыдущих главах мы имели дело со многими аспектами проектирования аналоговых схем, такими, как свойства пассивных элементов и транзисторов, ПТ и ОУ, обратная связь и т. д., и рассмотрели ряд применений этих устройств и методов схемотехники. Но в этих рассуждениях не ставился вопрос о лучшем из возможных вариантов, например о минимизации ошибок усилителя (нелинейность, дрейф и т. д.), или об усилении слабого сигнала с наименьшим искажением за счет шума усилителя. Во многих случаях эти вопросы составляют существо дела, и поэтому они являются важной частью искусства схемотехники. Поэтому в данной главе мы рассмотрим понятие шум усилителя и методы проектирования прецизионных схем. При первом чтении всю эту главу можно пропустить, за исключением разд. 7-. 10, в котором вводится понятие шум . Для понимания следующих глав материал данной главы несуществен.

РАЗРАБОТКА ПРЕЦИЗИОННОЙ АППАРАТУРЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

В деле измерения и управления часто нужны высокопрецизионные схемы. Схемы управления должны быть точными, устойчивыми относительно температуры и времени, а их поведение - предсказуемым. Точно так же и ценность измерительного прибора зависит от его точности и стабильности. Почти во всех областях электроники существует желание сделать все более точно. Можете называть это стремлением к совершенству. Даже если нам и не нужна такая высочайшая точность, все равно приятно иметь точные приборы, чтобы знать, что происходит.

7.01. Соотношение точности и динамического диапазона

Понятия точность и динамический диапазон легко спутать, потому что иногда одна и та же аппаратура используется для достижения и того, и другого. Разницу лучше всего пояснить на примере: у пятизначного цифрового многошкального прибора - прецизионная точность; измерения напряжения им делаются с точностью 0,01 % и выше. Такое устройство также имеет широкий динамический диапазон - от милливольт до вольт на одной и той же шкале. Прецизионный деся-

тичный усилитель (например, с коэффициентом усиления, выбираемым из ряда значений 1, 10, 100) и прецизионный опорный источник напряжения имеют достаточную точность, но не обязательно широкий диапазон. Примером устройства с большим динамическим диапазоном, но скромной точностью является шестидекадный логарифмический усилитель (ЛУ), построенный на тщательно подогнанных ОУ, но с применением элементов, имеющих точность всего лишь 5%; даже при использовании более точных элементов ЛУ может иметь ограниченную точность за счет несоответствия при крайних значениях тока характеристик используемого для преобразования транзисторного перехода логарифмической зависи.мости. Другой пример устройства с широким динамическим диапазоном (диапазон входного тока больше чем 10 000 : 1) при скромной точности 1% -это кулонометр, описанный в разд. 9.27. Вначале он был спроектирован для определения заряда электрохимического элемента - величины, которую достаточно знать с точностью 5%, но которая образуется в результате действия тока, изменяющегося в широком диапазоне. Общим свойством устройств с широким динамическим диапазоном является то, что входное смещение должно быть тщательно отрегулировано для обеспечения пропорциональности при уровне сигнала, близком к нулю. При проектировании прецизионной аппаратуры это также необходимо, но там для удержания суммарной погрешности в рамках так называемого бюджета погрешности требуются также прецизионные элементы, устойчивые генераторы опорных напряжений, а также внимание ко всем возможным источникам погрешностей,

7.02. Бюджет погрешностей схемы

Несколько слов о бюджете погрешности. Начинающие проектировщики часто попадают в ловушку, считая, что несколько стратегически правильно расположенных прецизионных элементов дадут устройство с прецизионными параметрами. В каких-то редких случаях, может быть, так и выйдет. Но даже схема, битком набитая резисторами 0,01 % и дорогостоящими ОУ, не оправдает ожиданий, если смещение входного тока, умноженное иа сопротивление источника, даст погрешность смещения напряжения, например, 10 мВ. Подобного рода погрешности встречаются почти в любой схеме, и важно их устранить, хотя бы для того, чтобы найти место, где требуется устройство с лучшими параметрами или замена схемы. Такой подсчет бюджета погрешностей рационализирует проектирование, во многих случаях позволяет обойтись недорогими элементами и дает возможность точно оценить характеристики схемы.

7.03. Пример схемы: прецизионный усилитель с автоматическим выбором нуля

Для иллюстрации предшествующих рассуждений спроектируем схему прецизионного декадного усилителя с автоматически.м поиском начального уровня. Это устройство позволяет зафиксировать