ФУУМЭ / метода лабы

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А. Д. ТУПИЦЫН

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ И УСТРОЙСТВА МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Электронный лабораторный практикум

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

1

УДК 621.38:681.14:621.396

Тупицын А. Д.

Функциональные узлы и устройства микроэлектроники: Электронный лабораторный практикум. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 52 с.

ISBN 978-5-7629-1282-2

Содержит описание шести лабораторных работ.

Предназначен для подготовки студентов, обучающихся по направлению 550700 «Электроника и микроэлектроника», 210100 «Электроника и наноэлектроника».

УДК 621.38:681.14:621.396

Рецензенты: кафедра радиоустройств CЗПИ; канд. техн. наук В. Д. Лиференко.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве электронного учебного пособия

2

1.ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ГИБРИДНОПЛЁНОЧНОГО УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Цель работы: ознакомление со схемотехническими особенностями построения гибридно-пленочного усилителя, его конструкцией и топологией, а также исследование его характеристик и параметров.

1.1. Основные понятия, термины и определения

Микроэлектроника – это область техники, задачей которой является создание радиоэлектронных устройств в миниатюрном интегральном исполнении. Напомним основные преимущества микроэлектроники:

-коренным образом решается проблема надежности, можно создавать аппаратуру более надежную или элементы, из которых она состоит;

-расширяются области применения за счет пространственной и энергетической микроминиатюризации;

-улучшаются функциональные и эксплуатационные характеристики;

-резко возрастает интенсификация производства за счет применения групповых методов изготовления.

Однако эти преимущества удается реализовать только при комплексной микроминиатюризации, когда все узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры выполнены с использованием интегральных схем, бескорпусных полупроводниковых пассивных микрорадиоэлементов и других миниатюрных изделий.

Принципы комплексной микроминиатюризации сравнительно лег ко осуществляются в цифровых логических устройствах, которые характеризуются

высокой степенью однородности и двумя уровнями сигналов, которые они обрабатывают. Благодаря этому удается на сравнительно простых активных элементах достичь очень высокой степени интеграции.

Однако осуществление этих принципов комплексной микроминиатюризации наталкивается на известные трудности при реализации их в линейных радиоэлектронных устройствах, предназначенных для усиления, генерирования и преобразования электромагнитных колебаний. Особенно большие трудности возникают при создании низкочастотных силовых линейных устройств. Большие номиналы конденсаторов, катушки индуктивности, фильтры, характерные для схем этих устройств, очень сложно реализовать методами интегральной электроники.

3

В настоящее время основным направлением создания линейных радиоэлектронных устройств являются интегральные схемы. Линейные интегральные схемы бывают двух видов: полупроводниковые (монолитные) и гибриднопленочные. Они, как известно, не исключают, а дополняют друг друга. Для большинства линейных интегральных схем можно отметить две основные схемотехнические особенности:

-они выполняются в виде схем с непосредственными связями, т.е. они состоят только из активных элементов и резисторов,

-в случае необходимости функциональная полнота их обеспечивается путем подключения извне конденсаторов, в том числе электролитических большой ёмкости, полосовых фильтров и других элементов.

Клинейным интегральным схемам помимо радиочастотных интегральных схем относят интегральные схемы операционных усилителей и силовых устройств.

Несмотря на меньшую, по-сравнению с монолитными степень интеграции, гибридно-плёночные микросхемы имеют определённые преимущества:

- пассивные элементы выполняются на отдельной подложке, что позволяет достичь их высокого качества и, при необходимости, производить подстройку при производстве;

- технология производства гибридно-плёночных микросхем сравнительно проста требует меньших затрат на оборудование, что позволяет создавать нетиповые, нестандартные изделия;

- технология гибридных микросхем оказывается предпочтительной при создании силовых интегральных схем, обладающих при равных условиях большей линейностью, по сравнению с полупроводниковыми.

В настоящее время широкое распространение получили интегральные усилители низкой частоты различного назначения.

Для оценки качества усилителей вводятся различные параметры:

- коэффициент усиления по напряжению K U = U вых / U вх , равный отноше-

нию переменных напряжений на выходе и входе;

-диапазон усиливаемых частот, который определяется значениями верхней и нижней рабочих частот;

-неравномерность амплитудно-частотной характеристики;

-коэффициент шума усилителя FШ;

напряжения гармоник напряжения полезного сигнала U1;

-динамический диапазон, равный отношению максимального (определяется допустимым уровнем искажений сигнала) к минимальному (определяется уровнем собственных шумов) входному сигналу;

-входное и выходное сопротивление усилителя.

1.2. Описание исследуемого усилителя

Исследуемый усилитель К2УС373 является одной из микросхем, предназначенный для радиовещательной бытовой радиоаппаратуры. Рассмотрим принципиальную схему усилителя (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Усилитель включает 6 транзисторов и 15 резисторов, которые соединяются между собой непосредственными связями. В свою очередь, усилитель можно условно разделить на ступень предварительного усиления и выходную ступень. Предварительное усиление осуществляется на 4-х каскадной усилительной ступени, собранной на транзисторах VT1 – VT4. Первый каскад содержит транзистор VT1, включенный по схеме с общим эмиттером. На базу этого транзистора поступает входной сигнал. Далее усиленный сигнал с сопротивления R1 в коллекторной цепи транзистора VT1 направляется на базу транзистора VT2 следу-

5

ющего каскада усиления. Для улучшения стабильности его работы в цепь эмиттера VT2 включено небольшое сопротивление R6 , создающее необходимое смещение и небольшую отрицательную обратную связь. Далее сигнал поступает на эмиттерный повторитель на транзисторе VT3 и последующий каскад усиления напряжения на транзисторе VT4, включённом по схеме с общим эмиттером. Усиленный сигнал поступает на вход выходной ступени усилителя.

Выходная ступень выполнена на транзисторах VT5 и VT6. Каскад на транзисторе VT5 осуществляет стабилизацию рабочей точки выходного каскада усилителя. Сопротивление R14 в его эмиттерной цепи связано непосредственно через сопротивление R13 с базой первого каскада усиления по постоянному току, благодаря чему удается обеспечить устойчивую работу усилителя во всем рабочем диапазоне температур.

Цепь, состоящая из сопротивления R15 и подключаемого между выводом 1 интегральной микросхемы и общей точкой схемы электролитического конденсатора (см. рис. 1.2 – схема измерительной установки), обеспечивает фильтрацию переменной составляющей напряжения, поступающего на базу входного транзистора.

Для обеспечения необходимой частотной характеристики усилителя с заданной неравномерностью к усилителю подключаются внешние цепи коррекции. К ним относятся конденсатор C1 и сопротивление R3, создающие цепь обратной связи между коллекторами VT1 и VT2, и конденсатор C3, шунтирующий по высокой частоте базу VT6.

Для развязки отдельных каскадов по цепям питания служат электролиты

C1, C2 и C3.

Глубокая отрицательная обратная связь между выходной ступенью и входным каскадом осуществляется за счет внешних элементов: сопротивления R17 и электролитического конденсатора C6. Кроме того, входная цепь усилителя подключается к источнику сигнала через сопротивления R16 и конденсатор C5, чтобы исключить постоянную составляющую входного сигнала.

Микросхема выполнена по тонкоплёночной технологии с применением бескорпусных активных элементов (транзисторов) и помещена в герметичный пластмассовый корпус с четырнадцатью плоскими выводами, расположенными в два ряда.

Технологический процесс изготовления микросхемы состоит из напыления на подложку из ситалла размером 48х60 мм резистивного (тантал) и проводя-

щего (никель) слоёв в одном вакуумном цикле с последующими операциями

6

двойного фотолитографического травления и резкой на части размером 6х16 мм. Изготовленные таким образом подложки содержат резисторы и межэлементные соединения. Вдоль длинных сторон подложек располагаются площадки для подключения выводов микросхемы. Пайка предварительно подготовленных выводов осуществляется групповым методом. Затем к подложкам крепят планки с транзисторами и приваривают выводы транзисторов к соответствующим контактным площадкам. Собранную таким образом подложку помещают в пластмассовый корпус и герметизируют эпоксидным компаундом.

1.3.Описание лабораторной установки

Вработе исследуются амплитудные, частотные и нагрузочные характеристики интегрального гибридно-пленочного усилителя низкой частоты. По ним определяются параметры интегральной схемы: коэффициент усиления, диапазон усиливаемых частот, неравномерность амплитудно-частотной характеристики, выходное сопротивление усилителя.

Схема экспериментальной установки (рис. 1.2) включает в себя исследуе-

Рис. 1.2

мую микросхему, которая смонтирована на верхней панели металлического корпуса, в котором расположены подключённые к микросхеме внешние элементы: электролитические конденсаторы, резисторы, корректирующие цепи.

7

Они расположены на монтажных платах внутри корпуса. Кроме того, в корпусе находится магазин нагрузочных сопротивлений RН с переключателем K1 и клеммы для подсоединения источников напряжения питания и сигнала, измерительных приборов.

К входу усилителя подключается генератор звуковой частоты G. Усиленное напряжение измеряется вольтметром V2. Микросхема питается от источника напряжения UП. Для контроля потребляемого тока служат амперметр Iпит..

1.4.Программа работы и указания по её выполнению

1.Уяснить цель и задачи данной работы.

2.Изучить основные теоретические положения, ознакомиться со схемотехническими особенностями, конструкцией микросхемы и назначением элементов измерительной установки. Выписать из справочника типовые параметры исследуемой микросхемы.

3.Подготовить приборы лабораторного стенда к работе. Для этого

установить номинальное напряжение питания исследуемой микросхемы +5 В и включить его. Установить ручку регулировки выходного напряжения генератора низкой частоты в положение, соответствующее минимальному выходному напряжению. Включить генератор. Ключ K2 должен быть замкнут.

4. Снять амплитудные характеристики усилителя в заданном частотном диапазоне. Для этого установить необходимую частоту. Изменяя выходное напряжение генератора, снять зависимость U вых. = f (U вх.) при определенном сопротивлении нагрузки. Входной сигнал изменять до появления участка насыщения и начала возрастания потребляемого микросхемой тока. Повторить измерения для других частот входного сигнала.

5.Уменьшить напряжение питания микросхемы до + 4 В. Повторить измерения амплитудных характеристик.

6.Снять амплитудно-частотные характеристики в заданном частотном диапазоне при постоянном входном напряжении. Измерение произвести дважды – первое для входного сигнала, соответствующего середине линейного участка амплитудной характеристики, второе для участка насыщения.

7.Повторить измерения по п. 5 при отключённой цепи обратной связи, для чего установить ключ K2 в положение «выключено».

8.Установить входное напряжение частотой 1 кГц, примерно равное по-

ловине от значения, соответствующего переходу усилителя в режим насыще-

8

ния. Изменяя сопротивления нагрузки переключателем K1, снять нагрузочную характеристику усилителя.

9. Повторить измерение при других уровнях входного сигнала и других рабочих частотах.

1.5. Содержание отчёта

Отчет должен содержать:

1.Блок-схему лабораторной установки и электрическую схему исследуемой микросхемы, а также ее типовые параметры.

2.Амплитудные характеристики микросхемы при разных рабочих частотах

изависимости коэффициента усиления от уровня входного сигнала.

3.Частотные характеристики усилителя при постоянных значениях входного сигнала.

4.Частотные зависимости коэффициента усиления при постоянных значениях входного сигнала.

5.Определение неравномерности амплитудно-частотной характеристики как отношение максимального и минимального коэффициентов усиления в заданном частотном диапазоне.

6.Определение выходного сопротивления усилителя по нагрузочным ха-

выходных напряжений, соответствующих различным сопротивлениям нагрузки, Iвых. = Iвых.2 − Iвых.1 – разность выходных токов, соответствующих тем же сопротивлениям.

7. Выводы по работе.

1.6.Контрольные вопросы

1.Укажите основные преимущества микроэлектроники при создании радиоэлектронных устройств.

2.Укажите трудности, возникающие при реализации принципов комплексной микроминиатюризации применительно к линейным радиоэлектронным устройствам.

3.Объясните работу исследуемой микросхемы и ее основные схемотехнические особенности.

9

4.Укажите особенности конструкции и технологии изготовления исследуемого интегрального гибридно-пленочного усилителя.

5.Объясните экспериментально полученные характеристики и параметры исследуемого интегрального усилителя.

2.ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО МОНОЛИТНОГО ОПЕ-

РАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Цель работы: ознакомление со схемотехническими и конструктивными особенностями интегрального монолитного операционного усилителя и определение его основных характеристик и параметров.

2.1. Основные теоретические положения

Линейные (аналоговые) интегральные схемы (ИС) нашли широкое применение в вычислительной технике и устройствах управления, в связной аппаратуре и бытовых приборах, а также в источниках питания. Они открыли новые пути повышения технического уровня радиоэлектронной аппаратуры. Коренным образом была решена проблема надежности, расширились функциональные возможности устройств, снизились габариты, вес и энергопотребление.

Особый интерес представляют интегральные операционные усилители (ОУ) общего назначения. Благодаря интегральному исполнению и непосредственным связям между элементами ОУ может работать не только в качестве преобразователя сигналов, но и выполнять функции усиления и генерации сигналов низких частот, усиления широкополосных сигналов, сигналов высокой частоты и т. д. Взаимное согласование элементов позволило снять рад ограничений, существовавших в дискретной транзисторной схемотехнике, таких, как необходимость регулировок, термостабилизации и симметрирования, что существенно повысило точность и стабильность схем с использованием интегральных ОУ.

Кпараметрам ОУ предъявляются следующие требования:

3.Собственный дифференциальный коэффициент усиления Kдиф должен

быть достаточно большим в широкой полосе частот f , причём амплитуда выходного сигнала в этой полосе частот должна оставаться постоянной при неизменной амплитуде входного сигнала.

4. Усилитель должен быть нечувствительным к синхронным помехам, поступающим на вход, т. е. коэффициент усиления синфазного сигнала Kсф дол-

10