2417

Усилительный каскад с ОС (рис. 10.32), называемый также истоковым повторителем, функционально подобен эмиттерному повторителю (см. рис. 10.30). Коэффициент усиления истокового повторителя по напряжению Кu=0,8–0,9 близок к единице, выходное сопротивление Rвых=1–10 МОм.

Рис. 10.32. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с ОС

Усилительные каскады с ОЗ в устройствах промышленной электроники не применяются.

В качестве приемника энергии к выходу усилительного каскада может быть подключен тоже усилительный каскад. Их совокупность образует многокаскадный усилитель. В усилителях низких частот, высоких частот, а также в широкополосных и узкополосных усилителях электрическая связь между каскадами реализуется с помощью конденсаторов, в усилителях постоянного тока – с помощью резисторов или непосредственных связей. В последнем случае любые изменения постоянного напряжения на выходе одного каскада из-за нестабильности параметров транзистора при действии дестабилизирующих факторов, обычно температуры, влияют на режим работы других каскадов, что приводит к изменению напряжения на выходе многокаскадного усилителя даже при отсутствии усиливаемого сигнала. Это явление называется дрейфом нуля. Для того чтобы уменьшить дрейф нуля, применяют дифференциальные усилители постоянного тока.

250

10.12. Дифференциальный усилитель

Наиболее распространена схема дифференциального усилительного каскада, называемого также параллельно-балансным каскадом, на основе моста постоянного тока (рис. 10.33), плечи которого образованы резисторами Rк1=Rк2 и биполярными транзисторами VT1 и VT2 одного типа, включенными по схеме с ОЭ.

+Ек

Рис. 10.33. Дифференциальный усилительный каскад на основе моста постоянного тока

Для лучшей балансировки моста выбирают транзисторы, помещенные в одном корпусе, параметры которых отличаются на 1–5%. Два источника сигналов включаются в цепи баз транзисторов, называемые несимметричными входами, а приемник с сопротивлением нагрузки Rн – между коллекторами транзисторов (симметричный вы-

ход с uвых).

Рассмотрим режим покоя каскада, т.е. при напряжении uвх1=uвх2=0 или коротком замыкании входов. В этом случае напряжение

Uбэп=Еэ–Rэ(Iэ1п+Iэ2п)>0 (10.20)

одинаково для обоих транзисторов, и поэтому их режимы работы будут различаться мало. В таком каскаде осуществляется стабилизация режима покоя. Если под действием дестабилизирующих факторов, например нагрева, возрастут токи коллекторов Iк1п, Iк2п и эмиттеров Iэ1п, Iэ2п, то напряжение Uбэ п уменьшится, эмиттерные переходы станут пропускать меньшие токи; в результате токи коллекторов Iк1п, Iк2п и напряжение покоя на выходе

251

будут стабилизированы. Стабилизация режима покоя будет тем значительнее, чем больше сопротивление цепи эмиттеров Rэ. Для этой цели в цепь эмиттеров иногда включают источник тока Iэ=Iэ1п+Iэ2п.

Из (10.21) видно, что любые одинаковые изменения в одноименных плечах каскада не вызывают изменения напряжения Uвых п, т.е. дрейфа нуля. В реальных каскадах нет полной симметрии элементов, однако дрейф напряжения Uвых п в дифференциальном усилителе по сравнению с усилительными каскадами на биполярных (см. рис. 10.29) и полевых (см. рис. 10.31) транзисторах снижается на несколько порядков.

Дифференциальный усилитель может работать в различных режимах.

Если имеется два независимых источника сигналов uс1 и uс2, то возможно их противофазное или синфазное включение, т.е. с противоположными и одинаковыми полярностями относительно общего узла цепи.

При противофазном включении, если uс1>0 при uс2<0 (см. рис. 10.33), токи базы и коллектора транзистора VT1 возрастают, а транзистора VT2 уменьшаются на такое же значение. При этом напряжение на коллекторе транзистора VT1 уменьшается, а на напряжение на коллекторе транзистора VT2 увеличивается.

Наоборот, если uс1<0 при uс2>0, токи базы и коллектора транзистора VT2 возрастают, а транзистора VT1 уменьшаются на такое же значение. При этом напряжение на коллекторе транзистора VT2 уменьшается, а на напряжение на коллекторе транзистора VT1 увеличивается.

Действие синфазных сигналов равного значения uс1=uс2 соответствует одинаковому изменению режимов работы транзисторов. При этом изменения напряжения на выходе усилителя с идеальной симметрией плеч по уравнению (10.21) не будет, так как синфазные сигналы представляют собой обычно различного рода помехи (атмосферные, сетевые и т.д.).

Если источник сигнала uс один, он может подключаться симметрично (рис. 10.34) и несимметрично (рис. 10.35, 10.36).

В последнем случае при подключении к неинвертирующему входу фазы выходного uн и входного uс напряжений совпадают (см. рис. 10.35), а при подключении к инвертирующему входу – противоположны (см. рис. 10.36).

252

Рис. 10.34. Симметричное подключение источника сигнала к дифференциальному усилителю

uн

ec=uc

uвх

Rэ

Еэ

Рис. 10.35. Несимметричное подключение источника сигнала к неинвертирующему входу дифференциального усилителя

uн

ec=uc

uвх

Rэ

Еэ

Рис. 10.36. Несимметричное подключение источника сигнала к инвертирующему входу дифференциального усилителя

253

Неинвертирующий и инвертирующий входы на схеме обозначаются знаками «+» и «–» соответственно.

Значения параметров дифференциальных усилителей на биполярных и полевых транзисторах того же порядка, что и каскадов с ОЭ и ОС соответственно. Основные достоинства дифференциальных усилителей – помехоустойчивость к синфазным сигналам и малый дрейф нуля. Поэтому дифференциальные усилители применяются в качестве входных каскадов усилителей постоянного тока.

10.13. Обратная связь в усилителях

Обратной связью принято называть связь, по которой осуществляется воздействие выходной величины устройства на вход этого же устройства. Отрицательная обратная связь обеспечивает воздействие инвертированного значения выходной величины, что приводит к уменьшению входного сигнала. Положительная обратная связь увеличивает значение входного сигнала. Обратная связь в усилителях может быть последовательной или параллельной, по напряжению или по току, по переменной или по постоянной составляющей.

Ограничимся анализом обратной связи по переменной составляющей.

В общем случае цепь обратной связи по переменной составляющей представляет собой пассивный четырехполюсник, который выводами 1–1' подключается к выходу усилителя У, а выводами 2–2' – ко входу усилителя У (рис. 10.37).

По способу подключения входных выводов 1–1' четырехполюсника обратной связи ОС различают обратную связь по напряжению (см. рис. 10.37, а) и по току (см. рис. 10.37, б); по способу подключе-

254

ния его выходных выводов 2–2' – параллельную (рис. 10.38, а) и последовательную (рис. 10.38, б). Обычно один вывод входной и один вывод выходной цепей четырехполюсника соединены накоротко (см.

рис. 10.37, 10.38).

Рис. 10.38. Обратная связь: а – параллельная; б – последовательная

Положительная обратная связь в усилителях практически не применяется, но лежит в основе работы различного рода автогенераторов.

В усилителях очень широко используется отрицательная обратная связь. Она позволяет создавать на основе усилителей устройства различного функционального назначения: сумматоры, интеграторы, фильтры и т.д.

10.14. Интегральные микросхемы и их классификация

Интегральные микросхемы (ИМС) в настоящее время являются одним из самых массовых изделий современной микроэлектроники. Применение ИМС облегчает расчет и проектирование функциональных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, ускоряет процесс создания принципиально новых аппаратов и внедрения их в серийное производство. Широкое использование ИМС позволяет повысить технические характеристики и надежность аппаратуры.

Отечественной электронной промышленностью освоен выпуск широкой номенклатуры ИМС, ежегодно создаются десятки и сотни

255

тысяч новых приборов для перспективных радиоэлектронных средств.

Интегральная микросхема (ИМС) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и кристаллов.

Все интегральные микросхемы в зависимости от функционального назначения принято делить на аналоговые и цифровые. Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Цифровые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.

Аналоговые и цифровые ИМС разрабатываются и выпускаются в виде серий. Каждая серия отличается степенью комплектности и содержит несколько ИМС. К серии относят совокупность типов ИМС, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое кон- структивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Как правило, с течением времени состав перспективных серий расширяется. Идентификатор серии в виде ее номера входит в обозначение ИМС и записывается в паспорте микросхемы.

Обозначение микросхемы состоит из четырех элементов. Первый элемент – цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе, и второй элемент – две или три цифры, обозначающие порядковый номер разработки, являются полным номером серии ИМС. Первый и второй элементы совместно обозначают серию ИМС, перед которой могут быть поставлены буквы, характеризующие конструкцию корпуса. Перед обозначением серии ставится буква Н, если корпус керамический, буква Ф, если корпус пластмассовый. Буква, характеризующая корпус, перед обозначением серии не ставится, если ИМС выполнена в металлостеклянном или металлокерамическом корпусах. Для ИМС коммерческого применения условное обозначение начинается с буквы К, а в экспортном варианте – с букв ЭК. После условного номера разработки может быть поставлена буква, если в пределах одного типа выпускаются ИМС с различными электрическими параметрами. Третий элемент – две буквы, соответствующие подгруппе и виду, определяют функциональное назначение ИМС. Четвертый элемент – порядковый номер разработки микросхем в дан-

256

ной серии и для данного функционального назначения, может состоять из одной или нескольких цифр и одной буквы как необязательного элемента.

В табл. 10.2 представлены примеры классификации ИМС по функциональному назначению с указанием идентификатора подгруппы и вида (третий элемент обозначения).

Таблица 10.2

Примеры классификации ИМС по функциональному назначению

10.15. Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой разновидность усилителей постоянного тока с верхней границей амплитудночастотной характеристики fв=102–105 Гц. ОУ изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название) путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование

ит. д.).

Внастоящее время ОУ применяются при создании электронных устройств самого различного назначения (стабилизация напряжения,

259