Транзисторные каскады

Элементная база электронных устройств

Постоянное расширение выполняемых электронными средствами функций, улучшение эксплутационных свойств (надежности, быстродействия), снижение затрат и стоимости требует совершенствования их элементной базы и методов проектирования.

Современные электронные системы создаются с использованием интегральных микросхем высокой степени интеграции, а также кристаллов с программируемой структурой. Весьма сложные устройства, как правило, создаются на основе использования типовых многократно повторяющихся объектов (элементов).

Элементную базу достаточно сложных функциональных микроэлектронных устройств составляет конечный набор типовых блоков, на основе которых строят аналоговые и цифровые преобразователи. Построение устройств на основе типовых модулей упрощает моделирование сложных структур и проектирование электронных средств с использованием различных уровней элементной базы (элемент, модуль, блок). Характеристики и параметры элементной базы существенно влияют на свойства устройства в целом.

Наиболее распространенными простыми типовыми элементами являются устройства (каскады), построенные на базе полупроводникового прибора с цепями электропитания, обеспечения режима работы, ввода и вывода сигналов (рис.3.1).

Рис.3.1. Структура типового элемента

В качестве полупроводникового прибора, определяющего основные характеристики каскада, применяются биполярные или полевые транзисторы. Во входных и выходных схемах, обеспечивающих режим работы каскада, используются линейные и нелинейные пассивные компоненты, а также источники стабильных напряжений и токов.

Первоначально каскады были разработаны на конструктивно завершенных деталях (транзисторах, резисторах, конденсаторах, трансформаторах) для построения различных усилителей электрических сигналов. Сложные схемы путем соединения каскадов с известными характеристиками и введения цепей прямой и обратной передачи сигналов для обеспечения требуемых параметров устройства в целом. Была создана достаточно широкая номенклатура усилительных каскадов с различными параметрами и предложены формальные макромодели, синтезированные с использованием паспортных параметров на изделие без учета технологии изготовления.

Такой подход проектирования сложных устройств оказался достаточно удобным при их реализации методами интегральной технологии. Типовые каскады составляют основу большинства аналоговых и цифровых элементов, образованных соединением простых каскадов с дополнительными схемами обработки сигналов.

Схемы каскадов ИМС создают с учетом особенностей интегральной полупроводниковой технологии:

• формирование пассивных элементов на основе транзисторных структур;

• преимущественное использование в схемах транзисторов одного типа, вследствие различия технологических операций изготовления биполярных и МДП структур;

• исключение из схем индуктивных катушек и конденсаторов больших номиналов;

• жесткое ограничение суммарного сопротивления резисторов, связанное с уровнем рассеиваемой кристаллом мощности.

Простые каскады выполняются на биполярных или полевых транзисторах различного типа. По назначению каскады делятся на входные (предварительные), промежуточные и выходные (мощные). Они различаются назначением и основными параметрами. Например, выходные каскады предназначены для обеспечения передачи максимальной мощности в нагрузку при заданном уровне искажений сигналов.

Транзистор можно рассматривать как прибор с тремя зажимами, соединение которых с цепями ввода и вывода может различаться. В зависимости от наименования электрода, который является общим для входной и выходной цепи каскады на биполярных транзисторах выполняются по схеме с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Соответственно каскады на полевых транзисторах имеют схемы с общим истоком (ОИ) или стоком (ОС).

В качестве нагрузки в транзисторных каскадах применяются линейные или нелинейные резистивные компоненты. Последние обычно реализуются на транзисторе в соответствующем включении. Для улучшения характеристик каскадов разработаны и широко используются схемы, базирующиеся на объединении двух простых элементов: дифференциальные или балансные каскады и схемы на комплементарных (взаимодополняющих) транзисторах.

Развитие полупроводниковой интегральной технологии привело к созданию уникальных структур на многоэмиттерных биполярных транзисторах, экономичных схем инжекционного электропитания биполярных транзисторов, а также изготовления в едином цикле биполярных и полевых транзисторов.