4. Ответы на вопросы:

Вопрос №1. Характеристика и параметры ОУ

Важнейшими характеристиками ОУ являются его амплитудные (передаточные) характеристики (рисунок 1). Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтальных и наклонного участков.

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзистора выходного каскада (эмиттерного повторителя). При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется напряжениямиU⁺_вых max и U^–_вых max.

Указанные значения максимальных выходных напряжений близки к напряжению Е_к источников питания.

Рисунок 1 – Передаточные характеристики ОУ (а), передаточные характеристики ОУ при наличии разбаланса (б)

 

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления   операционного усилителя. Значение К_U ОУ зависит от типа ОУ и может составлять от нескольких сотен до сотен тысяч и более. Большие значения К_U ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Кривые, приведенные на рисунке 1, а проходят через нуль. Состояние, когда U_вых=0 при U_вх=0, называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При U_вх=0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля. На рисунке 1, б пунктирными линиями показан возможный вид передаточной характеристики реальных ОУ при входном сигнале, подаваемом на не инвертирующий вход. Напряжение U_см0, при котором U_вых=0 , называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяет значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения U_см0 и ΔU_вых связаны соотношением  . Основной причиной разбаланса ОУ является существующий разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада (в частности, транзисторов). Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения.

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

Частотные параметры определяют по амплитудно-частотной характеристики ОУ (рисунок 2, а), которая имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза f_ср. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. Частота f₁ при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. По граничной частоте f_в.п, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в   раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ сотни мегагерц.

Рисунок 2 – Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики ОУ; реакция ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (в) и (г)

При усилении сигналов ОУ обычно охватывается отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Ввиду создаваемого усилителем в области высоких частот фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазочастотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рисунок 2, б). Для некоторой высокой частоты полный фазовый сдвиг становится равным 360°, что соответствует положительной обратной связи по инвертирующему входу на этой частоте. Это приводит самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC–цепи, позволяющие несколько изменить ход амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик.

Динамическая характеристика это практически характеристика переходного процесса в ОУ, рисунок 2, г.

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 (рисунок 2, в, г,). Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1U_вых до 0,9U_вых. Время установления выходного напряжения t_уст оценивают интервалом времени, в течении которого выходное напряжение изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. Как правило для V_Uвых = 0,1÷100 В/мкс, а t_уст=0,05÷2 мкс. [4]

Вопрос №2. Гибридные интегральные микросхемы

 

В гибридных ИМС, как правило, пассивные элементы выполнены в виде пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку, а активные элементы являются навесными. Обычно это малогабаритные дискретные элементы (в т.ч. могут быть и конденсаторы, и резисторы) и монолитные бескорпусные полупроводниковые ИМС.

Гибридные микросхемы были одним из первых этапов на пути миниатюризации изделий радиоэлектронной техники и в настоящий момент большинство гибридных микросхем, выпускающихся в прошлом, были вытеснены более миниатюрными полупроводниковыми ИМС. Но полупроводниковые ИМС обладают рядом недостатков, отсутствующих в гибридных ИМС, что определяет доминирующее положение гибридных ИМС в некоторых областях электроники.

Во-первых, из-за того, что гибридные ИМС выполняются на диэлектрической подложке с высокими изоляционными свойствами, материал подложки практически не оказывает влияния на электрические связи элементов, как это имеет место в полупроводниковых ИМС и отсутствует такой недостаток, как наличие токов утечки в подложку. Благодаря этому гибридные ИМС широко используются в СВЧ-технике, причем, как показывает опыт, для устройств работающих на частотах до 1 ГГц, с успехом применяется толстопленочная технология, поскольку она не требует жестких допусков и высокой точности нанесения и обработки пленок. Для устройств, работающих на более высоких частотах, когда необходимо обеспечить прецизионное нанесение пленочных элементов очень малых размеров, предпочтительнее тонкопленочная технология.

Во-вторых, гибридные микросхемы применяются в тех случаях, когда требуется получить конденсаторы  или резисторы достаточно больших номиналов, или когда требуется  рассеять большую  мощность.

В-третьих, использование гибридных ИМС позволяет создавать различные цифровые и аналоговые устройства при сравнительно коротком цикле разработки.

Кроме того, сочетание полупроводниковых ИМС и многослойных гибридных ИМС создает широкие схемотехнические и конструктивные возможности при проектировании больших интегральных схем.

Из недостатков гибридных ИМС по сравнению с полупроводниковыми ИМС следует отметить их достаточно большие габаритные размеры.

Как уже было отмечено выше, при производстве гибридных ИМС используется тонкопленочная или толстопленочная технология. Тонкие пленки наносятся одним из следующих методов: термическое напыление, ионно-плазменное напыление, реактивное напыление. При этом толщина пленок составляет, как правило, 0.1-10мкм.

Для изготовления толстопленочных (более 10мкм) элементов гибридных ИМС применяют различные материалы в виде паст. Пасты позволяют получать методом шелкографии или сеткографии на поверхности пластин требуемую конфигурацию. Метод создания рельефа на поверхности пластины продавливанием вязкой пасты через трафареты, изготовленные из шелка или металлической сетки, соответственно называют шелкографией и сеткографией.

Толстопленочные гибридные ИМС по сравнению с тонкопленочными сравнительно несложны в изготовлении и, кроме того, не требуют высоких затрат на эксплуатацию оборудования при производстве. Преимуществом их следует считать также возможность изготовления резисторов больших сопротивлений, а недостатком - трудность изготовления конденсаторов большой емкости. [5]

В таблице 1 приведены некоторые параметры, характеризующие тонкопленочную и толстопленочную технологию.

Таблица 1 - параметры, характеризующие тонкопленочную и толстопленочную технологию

Параметр	Тонкопленочная технология	Толстопленочная технология
Толщина пленок, мкм	<10	>10
Минимальная ширина пленочных проводников, мкм	50-100	150-300
Минимально допустимая ширина пленочных резисторов, мкм	50-100	800
Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами, мкм	100-300	50-300
Минимально допустимое расстояние между краем пленочного элемента и краем платы, мкм	200-500	100
Номинальные значения пленочных резисторов	>50 Ом	25 Ом - 1 МОм
Номинальные значения пленочных конденсаторов	>100nF	50-250pF

Вопрос №3. Большая интегральная схема

Большая интегральная схема (БИС) - интегральная схема (ИС) с высокой степенью интеграции (число элементов в ней достигает 10000), используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др. По количеству элементов все интегральные схемы условно делят на следующие категории:

- простые (ПИС) - с количеством элементов в кристалле до 10, - малые (МИС) - до 100, - средние (СИС) - до 1000, - большие (БИС) - до 10000, - сверхбольшие (СБИС) - 1000000, - ультрабольшие (УБИС) - до 1000000000, - гигабольшие (ГБИС) - более 1000000000 элементов в кристалле.

Интегральные микросхемы (ИМ), содержащие более 100 элементов, называют микросхемами повышенного уровня интеграции. Использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненным на отдельных ИС. Интеграция ИС на одном кристалле приводит к уменьшению количества корпусов, числа сборочных и монтажных операций, количества внешних - наименее надежных - соединений. Это способствует уменьшению размеров, массы, стоимости и повышению надежности. Дополнительными преимуществами от интеграции ИС являются уменьшение общего количества контактных площадок, сокращение длины соединений, а также меньший разброс параметров, поскольку все ИС расположены на одном кристалле и изготовлены в едином технологическом цикле. Опыт разработки БИС выявил также и ряд общих проблем, которые ограничивают повышение степени интеграции и которые, нужно, решать в процессе дальнейшего развития микроэлектроники: 

- проблема теплоотвода, - проблема межсоединений, - проблема контроля параметров,

-физические ограничения на размеры элементов. В 1964 г. впервые на базе БИС, фирма IBM выпустила шесть моделей семейства IBM 360. Примерами БИС также могут служить схемы памяти на 4 бит и более, арифметико-логические и управляющие устройства ЭВМ, цифровые фильтры. ИС предназначены для решения самых разнообразных задач, поэтому изготовляется сочетанием методов, находящихся в арсенале полупроводниковой, тонко- и толстопленочной технологий. ИМ принято классифицировать по способам изготовления и по получаемым при этом структурам на полупроводниковые и гибридные. Полупроводниковая ИМ представляет собой ИС, в которой все элементы и соединения между ними выполнены в едином объеме и на единой поверхности полупроводниковой пластины. В гибридных микросхемах пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы) наносятся на поверхность диэлектрической пластинки, активные (транзисторы) выполняются в виде отдельных дискретных миниатюрных компонентов и присоединяются к микросхеме. [6]

Вопрос №4. Устройства частотной обработки звуковых сигналов

Очевидно, не будет преувеличением сказать, что наиболее часто встречающаяся и наиболее широко используемая обработка звуковых сигналов - это обработка, связанная с изменением их тембра (частотная коррекция, эквализация, и др. синонимы). И даже в аппаратуру Hi-End после длительных дискуссий в стиле “психиатрической акустики” - стали, скрепя сердце, устанавливать регуляторы тембра... Однако, несмотря на широту применения и обилие их конструкций, у нас нет пока литературы, содержащей в систематизированном и доступном виде обобщенные сведения об этом классе звукопроцессоров. Постараемся в меру своих сил восполнить это упущение - правда, пока в скромном объеме журнальной статьи. О том, какие бывают устройства частотной обработки звуковых сигналов, чем они отличаются друг от друга, и еще кое о чем - и рассказывает приведенный далее материал.

Все множество устройств, осуществляющих частотную обработку сигналов, по характеру их влияния на АЧХ можно условно разделить на две основные группы.

Одна группа - это устройства, предназначенные для ручного, оперативного изменения АЧХ звукового тракта оператором в процессе проведения живого концерта, звукозаписи, и т.д. Эти устройства носят самые различные названия - эквалайзеры, темброблоки, усилители-корректоры, фильтры присутствия, и т.д. и т.п. Отличительная их черта - это то, что все вышеперечисленные элементы трактов не имеют какой-то своей собственной, заранее заданной АЧХ. Их характеристики устанавливаются звукорежиссером в процессе работы, причем вносимое ими в АЧХ изменение может быть как отрицательным - “завал”, так и положительным - “подъем” каких-либо частот (или полос частот) звукового диапазона. Как правило, все они имеют множество регуляторов.

Устройства другой группы - предназначены только для ограничения вами диапазона (полосы частот) звукового тракта, они не дают возможности осуществлять подъем или завал отдельных частот звукового спектра, и могут изменять АЧХ (подавлять, “обрезать” сигналы) только на краях звукового диапазона. Эти устройства носят название обрезных фильтров (иногда - просто “фильтров”). Изменение их характеристик вами практически невозможно, и в силу этого - они имеют либо просто одну кнопку для включения их в тракт, либо (в самом сложном случае) - еще и возможность перестройки частоты среза. Но обо всем этом - чуть позже. [7]