2.2 Базові елементи лінійних інтегральних підсилювачів

2.2.1 Особливості аналогової інтегральної схемотехніки

Аналогові інтегральні мікросхеми (ІМС) призначені для підсилення, обробки і перетворення електричних сигналів, параметри яких змінюються за законом неперервної функції. До таких аналогових ІМС належать операційні підсилювачі, інтегральні стабілізатори, компаратори та інші схеми, які складаються з базових схемотехнічних елементів, наприклад елементарних підсилювальних каскадів, диференціальних підсилювачів, каскадів зсуву потенціальних рівнів, кінцевих підсилювальних каскадів. Ці елементарні схеми широко використовують як при проектуванні відомих, так і при створенні нових лінійних ІМС.

Аналогові ІМС універсальні і багатофункціональні. Ці якості закладають в мікросхеми при їх розробці. Багатофункціональні мікросхеми виготовляють у масовому виробництві. Вузькоспеціалізовані ІМС не користуються великим попитом, вони дорогі. Аналоговим ІМС, особливо операційним підсилювачам, властиві функціональна перенасиченість за більшістю параметрів. Це дозволяє проектувати прилади промислової електроніки на базі ІМС з високими технічними і експлуатаційними показниками.

При розробці напівпровідникових аналогових ІМС велика увага приділяється технологічності мікросхем, тобто зменшенню кількості технологічних операцій. Це досягається використанням транзисторних структур не тільки як елементів підсилення, а також для виконання функцій пасивних елементів, наприклад, як резисторів, конденсаторів, (див частину першу даного посібника) і т. д. При цьому важливо, щоб у мікросхем була низька чутливість до розкиду параметрів, що збільшує процент виходу придатних ІМС.

Для аналогових мікросхем характерне використання зворотних зв'язків як з метою підвищення електричних характеристик, так і для розширення функціональних можливостей , наприклад, для вибіркового підсилення, корекцій характеристик і т. п. Тому розробники електронної апаратури вводять зовнішні кола зворотних зв'язків.

2.2.2 Елементарні каскади підсилення

Елементарні підсилювальні каскади інтегральних мікросхем являють собою одно каскадні осередки. До таких каскадів на біполярних транзисторах відносять каскади із загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК) і загальною базою (ЗБ). Схема ЗЕ забезпечує як підсилення напруги, так і підсилення струму. Каскад за схемою ЗК (емітерний повторювач) повторює на виході вхідну напругу, але через підсилення струму забезпечує підсилення потужності. Схема ЗБ повторює на виході струм, що надходить у вхідне коло каскаду (повторював струму). Підсилення потужності у цьому каскаді забезпечується за рахунок підсилення напруги. Найбільше підсилення потужності має схема із ЗЕ.

Однокаскадні підсилювачі звичайно працюють у режимі малого сигналу. Тому для аналізу їх якостей і одержання динамічних параметрів — вхідного та вихідного опорів, коефіцієнтів підсилення за струмом і напругою складають схему зміщення каскаду. При проведені аналізу допускають, що на вхід каскаду подається стале синусоїдальне електричне коливання (для підсилювачів сигналів незмінної чи повільно змінної амплітуди) або миттєвий стрибок напруги (для підсилювачів імпульсних сигналів).

Крім біполярних транзисторів, в підсилювальних каскадах використовують польові транзистори. За аналогією з каскадами на біполярних транзисторах елементарні каскади на польових транзисторах поділяються на каскади із загальним витоком (ЗВ), загальним стоком (ЗС) та загальним затвором (ЗЗ).

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗЕ (рис. 2.11). У цій схемі корисна вихідна потужність на опорі навантаження визначається формулою

і зумовлена складовою колекторного струму за рахунок корисного сигналу з амплітудою I_Cm (або колекторної напруги з амплітудою U_Cm), майже повністю обумовлюється енергією джерела живлення Е_С, а не енергією вхідного сигналу.

Для аналізу роботи підсилювального каскаду в області середніх частот користуються еквівалентною схемою каскаду (рис. 2.12), яку отримують із Т-подібної схеми заміщення транзистора.

Колекторний струм I_С можна знайти, якщо враховувати, що струм, який надходить від генератора h₂₁I_B, розгалужується у паралельні гілки, опір яких r_c і R_Cн + r_E. Оскільки, як правило, R_Cн >> r_E, то опором r_E можна знехтувати і для колекторного струму записати

. (2.23)

Вхідний опір підсилювального каскаду визначається відношенням

.

Оскільки через опір бази протікає струм I_B, а через опір r_E — сума струмів I_B та I_C, то вхідний опір

. (2.24)

Через те, що дуже часто r_C >> R_Cн, вхідний опір підсилювального каскаду дорівнює вхідному опору транзистора, тобто

. (2.25)

Оскільки напруга на ділянці база-емітер залежить від теплового потенціалу _т, то

. (2.26)

В режимі малих (мікроамперних) струмів, який характерний для підсилювальних каскадів в інтегральному виконанні, виміряний вхідний опір виявляється у півтора-два рази більшим, ніж обчислений за формулою (2.26). Тому в цю формулу вводять множник m = 1... 2, який враховує зменшення h_21Е в режимі мікро струмів. При цьому

. (2.27)

Скориставшись рівнянням (2.2.3), отримаємо

. (2.28)

Якщо в коло емітера у схемі на рис. 2.11 увімкнути резистор R_E, то в еквівалентній схемі на рис. 2.12 він буде увімкнений послідовно з опором емітерного переходу r_Е і вхідний опір каскаду збільшиться згідно з (2.25):

. (2.29)

Якщо, наприклад, r_B=100 Ом, r_Е=20 Ом, R_Е=300 Ом, h_21Е=100, то R_ВИХ, обчислене за формулами (2.25) і (2.29), дорівнює, відповідно, 2120 і 32420Ом. Таким чином, введення негативного зворотного зв'язку за змінним струмом приводить до помітного підвищення вхідного опору підсилювального каскаду.

Коефіцієнт підсилення напруги за формулами (2.23) і (2.24) визначиться як:

. (2.30)

У тих випадках, коли r_C >> R_Cн, враховуючи (2.14), одержимо

. (2.31)

Коли вхідний опір підсилювального каскаду одного рівня з опором джерела вхідного сигналу R_Д, то вихідну напругу оцінюють не за відношенням U_вих/U_вх, а за відношенням U_вих/Е_д. Оскільки у цьому випадку справедливі рівняння:

; ,

то

. (2.32)

Коефіцієнт підсилення за струмом з урахуванням формули (2.23)

. (2.33)

Вихідний опір R_вих знаходять як звичайно при відімкненому навантаженні і нульовому вхідному сигналі, і, якщо врахувати, що r_C >> R_C, то

R_вих  R_C. (2.34)

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗБ (повторювач струму).

Принципова схема підсилювального каскаду на біполярному транзисторі за схемою із ЗБ (загальною базою) показана на рис. 2.13. Підсилення потужності за такою схемою менше порівняно зі схемою підсилювача із загальним емітером (ЗЕ) і гірше відношення R_вх/R_вих у порівнянні з підсилювальним каскадом за схемою ЗК (із загальним колектором) тому її використовують рідше у приладах промислової електроніки. Але транзистор за схемою ЗБ має високу лінійність колекторної характеристики, що обумовлює низький рівень підсилюваного сигналу.

На відмінність від схеми із ЗЕ підсилювальний каскад за схемою ЗБ не інвертує фазу вхідного сигналу, оскільки дія, наприклад, позитивної півхвилі вхідного синусоїдального сигналу викликає зниження емітерного, а отже колекторного струмів, що приводить до приросту позитивного потенціалу на колекторі транзистора. Скориставшись Т-подібною еквівалентною схемою транзистора із ЗБ, складають еквівалентну схему підсилювального каскаду (рис. 2.14). Оскільки каскад охоплений глибоким негативним зворотним зв'язком за струмом, то коефіцієнт передачі за струмом визначиться формулою

. (2.35)

Він менший за одиницю і при r_C >> R_Cн дорівнює h_21Е. Отже, вихідний струм повторює вхідний, звідси і назва — повторювач струму.

Паралельний зворотний зв'язок приводить до збільшення споживання струму у вхідному колі, що знижує вхідний опір каскаду

. (2.36)

Низькоомний вхід знижує вплив паразитних ємностей у вхідному колі, що зменшує спотворення, які вносить каскад, в області високих частот.

Коефіцієнт передачі за напругою з урахуванням рівняння (2.36) визначиться такою залежністю

. (2.37)

Вихідний опір підсилювального каскаду за схемою ЗБ визначається рівнянням (2.34). Як самостійні, каскади підсилення за схемою ЗБ практично не використовуються. Але вони поширені як складові частини підсилювальних секцій, наприклад, як ключ диференціального підсилювача і т. п.

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗК (повторювач напруги).

Принципова схема підсилювального каскаду за схемою ЗК показана на рис. 2.15. Навантаження в підсилювачі вмикається в емітерне коло транзистора. Така схема має підвищений вхідний опір, що дозволяє використовувати її для узгодження або розділення високоомного джерела вхідного сигналу і низькоомного навантаження.

Резистор R_E є опором навантаження, що визначає динамічний режим роботи транзистора. Зовнішнє навантаження під'єднується у вигляді опору R_Н. Загальний опір навантаження за струмом корисного сигналу визначиться формулою

. (2.38)

Вхідна і вихідна напруги за схемою ЗК (загальний колектор) при такому вмиканні навантаження збігаються за фазою, оскільки при надходженні напруги позитивної полярності базовий струм підвищується, зумовлюючи підвищення емітерного струму. Це приводить до підвищення спаду напруги на опорі R_Ен і зростання позитивного потенціалу емітера, з якого знімається вихідний сигнал.

Зі схеми видно, що U_вх = U_ВЕ+ U_вих. Оскільки значення R_Ен, на якому виділяється напруга U_вих, як правило, значно перевищує опір емітерного переходу, до якого прикладена напруга U_BE, то U_вих >> U_BE і U_вх U_вих. Зважаючи на те, що U_вих =U_вх – U_BE, К_нU = U_вих / U_вх близький до одиниці, але менший за неї. Таким чином, підсилювальний каскад лише повторює вхідну напругу за рівнем напруги і фазою, звідки і назва — емітерний повторювач. Але така схема дає підсилення за струмом і потужністю.

Порівнюючи схеми за рис. 2.13 і 2.15, можна зробити висновок, що емітерний повторювач подібний до підсилювального каскаду за схемою ЗЕ, у якого R_C = 0, з резистором R_E в емітерному колі. У такому випадку уся напруга вихідного сигналу на резисторі R_Ен послідовно вводиться у вхідне коло підсилювача. Але через те, що U_вх і U_вих синфазні, то U_вих віднімається від U_вх, знижуючи її. Тому у схемі існує 100%-ний послідовний негативний зворотний зв'язок, що підвищує вхідний і зменшує вихідний опори емітерного повторювача.

Вхідний опір схеми із ЗК можна знайти з рівняння (2.29), замінивши R_E на R_Ен:

, (2.39)

Який тим більший, чим більший R_Ен і h_21Е транзистора. Вихідний опір емітерного повторювача визначиться як

(2.40)

і залежить від опору джерела вихідного сигналу і тим менший, чим більший коефіцієнт передачі струму бази транзистора.

Коефіцієнт підсилення за напругою

. (2.41)

Коефіцієнт підсилення за струмом

. (2.42)

При виконанні нерівності r_C >> R_Ен К_пI = (h_21E + 1) >> 1.

Наявність в емітерному повторювачі негативного зворотного зв'язку підвищує стабільність його характеристик, тобто зменшує частотні , фазові і нелінійні спотворення. Ця схема має широкий динамічний діапазон, що дозволяє використовувати її як вихідний каскад аналогових інтегральних мікросхем для передачі сигналу великої амплітуди.

Однокаскадні підсилювачі в інтегральному виконанні.

Технологічно такі підсилювачі виконують у вигляді монолітної схеми, яка містить усі необхідні елементи (транзистори, діоди, резистори та інше) в інтегральному виконанні і підсилює електричні сигнали без вмикання додаткових елементів. Інтегральна електроніка, використовуючи найновіші досягнення технології, дозволяє суттєво підвищити якість і надійність електронних підсилювачів, забезпечуючи їх так званою функціональною надлишковістю. Такі підсилювачі подібні до багатоцільових пристроїв, оскільки, змінюючи в них комутацію зовнішніх діодів, а також способів під'єднання джерел сигналів і навантаження, можна одержати підсилювачі з різними характеристиками. В окремих випадках інтегральні підсилювачі доповнюють навісними елементами.

Лінійні інтегральні підсилювачі поділяють на три групи: одновходові, диференціальні й операційні. Однокаскадні підсилювачі в інтегральному виконанні одновходові.

Однокаскадні підсилювачі на польових транзисторах. Польовий транзистор можна вмикати у підсилювальну схему трьома різними способами: із загальним витоком (ЗВ), із загальним стоком (ЗС) і загальним затвором (ЗЗ). Найчастіше використовують схему ЗВ, аналогічну схемі ЗЕ на біполярному транзисторі. На рис. 2.16 показана схема підсилювального каскаду на польовому транзисторі з ізольованим затвором МДН типу. Динамічний режим роботи польового транзистора забезпечується резистором у колі стоку R_D, з якого знімається корисний вихідний сигнал при наявності вхідного підсилювального сигналу. Як правило,

R_D << R_G  R_вх, де R_G = R₁  R₂.

Тому, якщо навантаженням підсилювального каскаду на польовому транзисторі є вхідний опір аналогічного каскаду підсилення, то опори навантаження підсилювача для постійної і змінної складових струму стоку приблизно рівні:

. (2.43)

Автоматичне зміщення в підсилювальних каскадах на польових МДН-транзисторах, у яких полярність напруги на стоку і затворі однакова, здійснюється, як і в каскадах на біполярних транзисторах. При цьому напруга зміщення на затвор для забезпечення режиму спокою подається від джерела стокового живлення Е_D через резистивний подільник R1, R2, який повинен бути високоомним, щоб суттєво не знижувати вхідний опір підсилювального каскаду.

У пристроях промислової електроніки застосовують підсилювальні каскади за схемою вмикання польового транзистора із загальним стоком. В такому каскаді із затвором у вигляді p — n – переходу (рис. 2.17) навантажувальний резистор R_Н ввімкнутий у коло витоку, напруга підсилюваного сигналу з цього кола підводиться до зовнішнього навантаження. За своїми якостями підсилювальний каскад за схемою ЗС аналогічний емітерному повторювачу. Він має великий вхідний і малий вихідний опори, його коефіцієнт підсилення за напругою близький до одиниці, а вхідна і вихідна напруги підсилювального сигналу збігаються за фазою. Тому такий каскад називають витоковим повторювачем.

Підсилювальні каскади на польових транзисторах, завдяки їх вхідному опору (декілька мегом), широко застосовують як на вхідні каскади різних електричних пристроїв, в тому числі як підсилювачі в інтегральному виконанні.