1. Полупроводниковые диоды, классификация и их краткая характеристика.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов приведены на рис.1.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n-типа толщиной 0,1-0,6 мм и площадью 0,5-1,5 мм²; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка. На заключительной стадии изготовления в диоде создают большой ток (несколько ампер), стальную проволочку вплавляют в полупроводник n-типа, образуя область с электропроводностью p-типа. Из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная область, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот(СВ Ч-диоды). Точеные диоды используют в основном для выпрямления.

В плоскостных диодах p-n-переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причём площадь перехода у полупроводников различных типов лежит в пределах от сотых долей квадратного микрометра (микроплоскостные) диоды до нескольких квадратных сантиметров(силовые диоды).

Электрические характеристики плоскостного диода определяются характеристиками p-n-перехода.

Рассмотрим более подробно характеристики различных групп плоскостных диодов.

Выпрямительный полупроводниковый диод − полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.

В ольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение даны на рис.2. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода I_пр.max и максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max.

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать 85С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до 150С. Для уменьшения разогрева мощных диодов прямым током принимают специальные меры для их охлаждения: монтаж на радиаторах, обдув и т. д.

Для получения более высокого обратного напряжения диоды можно включать последовательно. Для последовательного включения подходящими являются диоды с идентичными характеристиками. В настоящее время выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Обратное напряжение U_обр таких столбов лежит в пределах 2–40 кВ.

Более сложные соединения диодов имеют место в силовых диодных сборках. В них для увеличения прямого тока диоды соединяют параллельно, для увеличения обратного напряжения – последовательно и часто осуществляют соединения, облегчающие применение диодов в конкретных выпрямительных устройствах.

П олупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения. Он представляет собой кремниевый диод, который нормально работает при электрическом пробое n-p-перехода. При этом напряжение на диоде незначительно зависит от протекающего тока. Электрический пробой не вызывает разрушения перехода, если ограничить ток до допустимой величины.

Основные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации U_ст.ном, минимальный I_cт.min и максимальный I_ст.max токи стабилизации, максимальная мощность P_ст.max. Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения ТКU , который показывает, на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1С. Для большинства стабилитронов ТКU =(–0,05¸ +0,2)% /С.

Стабилизацию постоянного напряжения можно получить с помощью диода, включенного в прямом направлении. Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами.

Туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью. Материалом для туннельных диодов служит сильнолегированный германий или арсенид галлия. Основными параметрами туннельного диода я вляются ток пика I_п и отношение тока пика к току впадины I_п/ I_в. Для выпускаемых диодов I_п=0.1¸1000 мА и I_п/ I_в=5¸20.

Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и импульсных переключателях.

Обращённый диод –– диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Обращённые диоды представляют собой разновидность туннельных диодов, у которых ток пика I_пр=0. Если к обращённому диоду приложить прямое напряжение U_пр≤0,3 В, то ток диода I_пр≈0. В то время даже при небольшом обратном напряжении (порядка десятков милливольт) обратный ток достигает нескольких миллиампер. Таким образом, обращённые диоды обладают вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где выпрямительные диоды обычно вентильными свойствами не обладают. При этом направлением наибольшей проводимости является направление, соответствущее обратному току.

Варикап — полупроводниковый диод, в котором используется зависимость ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью.

Основными параметрами варикапа являются общая ёмкость С_в, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении U_обр=2¸5 В, и коэффициент перекрытия по ёмкости K_c=C_max/C_min.Для большинства выпускаемых варикапов С=10¸500 пФ и K_c=5¸20.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды.

В этих трёх типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

Магнитодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием магнитного поля.

В качестве магнитодиодов используют выпрямительные диоды на основе германия или кремния с увеличенной толщиной полупроводникового материала. Основным параметром магнитодиода является его чувствительность

,

где и — приращение соответственно прямого напряжения и магнитной индукции. Диапазон значений γ=(10 ¸·50) ·10³В/(Тл ·мА).

Тензодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действинм механических деформаций.

В качестве тензодиодов обычно применяют туннельные диоды, у которых отдельные участки вольт-амперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.

2. Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый при­бор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупровод­нике три области с различными типами электропроводности. Одна край­няя область называется эмиттером (Э), другая —коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.

Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электро­проводности базы. В зависимости от порядка чередования р - и n - областей различают транзисторы со структурой р-n-р (рис. 1, а) и n-р-n (рис. 1,б). Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозна­чающего эмиттер. Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзи­стора со структурой р-n-р

Рис. 1. Структуры и условные графические обозначения биполярных тран­зисторов типа р-n-р (а) и n-р-n (б)

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низко­частотных не превышает 50 мкм.

3. Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от способа подключения р-n-переходов транзистора к внешним источникам питания он может работать в режиме отсечки, насыщения или активном режиме.

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный p-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении (рис. 2, а). В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (Iэбо) и коллекто­ра (Iкбо). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у крем­ниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения (рис. 2,6). Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослаблять­ся электрическим полем, создаваемым внешними источниками UЭБ и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (Iэ. нас) и коллектора (Iк. нас).

Режимы отсечки и насыщения используются при работе транзисторов в импульсных схемах и в режиме переключения. Для усиления сигналов применяется активны и режим работы транзистора.

При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный пере­ход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях (рис. 3). Под действием прямого напряжения Uэб происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора IКр не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому

Iкр=h_21БI_Э

Величина h_21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h_21Б = 0,90...0,998.

Т ак как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него проте­кает также обратный ток I_КБО, образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток кол­лектора транзистора, включенного по схеме, приведенной на рис. 3,

I_К = h_21БI_Э + I_КБО.

Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд.

^а б

Рис. 2. Токопрохождение в транзисторе в режимах отсечки (а) и насыще­ния (б)

Рис. 3. Включение транзистора в активном режиме работы по схеме с общей базой

Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I_б.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы

I_Б = I_Б.рек — I_КБО.

В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока кол­лектора и тока эмиттера.

Схемы включения биполярного транзистора

В схеме, приведенной на рис. 3, электрическая цепь, образованная источником Uэб, эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником Uкб, коллектором и базой этого же транзистора,—выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение на­зывают схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».

На рис. 4 изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ». В ней выходным то­ком, как и в схеме ОБ, является ток коллектора I_К, незначительно отличающийся от тока эмиттера I_э, а входным — ток базы I_Б, значи-

Рис. 4. Включение тран Рис. 5. Включение тран-

зистора по схеме с общим зистора по схеме с общим

эмиттером коллектором

тельно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами I_Б и I_к в схе­ме ОЭ определяется уравнением:

I_К= h_21ЕI_Б + I_КЭО

Коэффициент пропорциональности h_21E называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через стати­ческий коэффициент передачи тока эмиттера h_21Б

h_21Е= h_21Б /(1- h_21Б).

Если h_21Б находится в пределах 0,9...0,998, соответствующие значе­ния h_21Е будут в пределах 9...499.

Составляющая I_КЭО называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1 +h_21Е раз больше, чем Iкбо, т. е.

IКЭО = (1 + h_21Е)IКБО.

Обратные токи Iкбо и Iкэо не зависят от входных напряжений Uэб и UБЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружаю­щей среды и определяют температурные свойства транзистора. Уста­новлено, что значение обратного тока Iкбо удваивается при повышении температуры на 10 °С для германиевых и на 8 °С для кремниевых тран­зисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обрат­ного тока Iкэо могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока Iкбо и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способ­ствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора.

На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор (рис. 5). Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК».

Независимо от схемы включения транзистора для него всегда справед­ливо уравнение, связывающее токи его электродов:

Iэ = Iк + Iб.

4. Полевые транзисторы, классификация, структура и схема включения полевого транзи­стора с затвором в виде р—n-перехода

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в ко­тором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Каналом называют центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через ко­торый основные носители ухо­дят из канала,— стоком. Элект­род, служащий для регулиро­вания поперечного сечения ка­нала, называют затвором.

Поскольку в полевых тран­зисторах ток определяется дви­жением носителей только одно­го знака, ранее их называли униполярными транзисторами, что подчеркивало движение но­сителей заряда одного знака.

Рис. 1 Классификация и условные графические

обозначения полевых тран­зисторов.

Полевые транзисторы изго­товляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразде­ляют на транзисторы с р-каналом и n-каналом. Классификация и условные графические обозна­чения полевых транзисторов приведены на рис. 1.

Полевой транзистор с управляющим переходом — полевой транзистор, у ко­торого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n-переходом.

Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n -каналом и управляющим р-n-переходом показаны на рис. 2

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в ка­нале являются электроны, которые движутся вдоль канала от ис­тока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_с. Между затвором и истоком приложено напря­жение, запирающее р-n-переход, образованный n-областью канала и р-областью

Рис. 2 Структура (а) и схема включения полевого транзи­стора

с затвором в виде р—n-перехода (б):1,2 — области канала и затвора

соответственно; 3, 4, 5 — выводы исто­ка, стока и затвора соответственно

затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с п-каналом полярности приложенных напряжений следующие: Uси>0, Uзи<0. В транзисторе с p-каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения по­тенциала, поэтому полярности приложенных напряжений должны быть иными: Uси<0,

Uзи>0.

Рис. 3. Перекрытие канала в полевом транзисторе

Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с п-каналом. Транзисторы с

р-каналом работают аналогично.

На рис. 3 показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжения на электроды транзистора. При подаче запирающего напряжения на

р-n-переход между затво­ром и каналом (рис. 3, а) на границах канала возникает равно­мерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению про­водящей ширины канала.

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис. 3 б), приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в на­правлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала располо-жено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжения Uси>0 и Uзи<0 (рис. 3, в), то толщина обедненного слоя, а следовательно, и се­чение канала будут определяться действием этих двух напряжений.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики полевого транзи-стора:

а — выходные; б — передаточная

При этом минимальное сечение канала определяется их суммой. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:

Uси+|Uзи|=Uзап

обедненные области смыкаются и сопротивление канала резко возрастает.

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора при­ведены на рис. 4 Здесь зависимости тока стока I_с от напряжения при постоянном напряжении за затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора (рис. 4, а). На начальном участке характеристик Uси+|Uзи|<Uзап ток стока I_свозрастает с увеличением Uси. При повышении напряжения сток — исток до Uси=Uзап-|Uзи| происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока I_с прекращается (участок насыщения). От­рицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряже-ния Uси и тока стока I_с. Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора.

Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою р-п-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена пере­даточная характеристика I_с=f(Uзи) (рис. 4,6). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси. Вход-ная характеристика полевого транзистора — зависимость тока утечки затвора I₃ от напряжения затвор — исток — обычно не ис­пользуется, так как при Uзи<0 р-n-переход между затвором и ка­налом закрыт и ток затвора очень мал (I₃ = 10^-8 /10^-9 А), поэтому во многих случаях его можно не принимать во внимание.

Полевой транзистор с изолированным затвором — полевой транзистор, затвор которого электрически отделен от канала слоем диэлектрика. У полевых транзисторов с изолированным затвором для уменьшения тока утечки затвора I₃ между металлическими зат­ворами и полупроводниковым каналом находится тонкий слой ди­электрика, обычно оксид кремния, а р-n-переход отсутствует. Та­кие полевые транзисторы часто называют МДП-транзисторами (МДП — металл — диэлектрик — полупроводник) или МОП-тран­зисторами (МОП — металл — оксид — полупроводник).

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с изо­лированным затвором в основном аналогичны характеристикам транзисторов с затвором в виде р-n-перехода. В то же время изо­лированный затвор позволяет работать в области положительных напряжений между затвором и истоком: Uзи>0. В этой области происходит расширение канала и увеличение тока стока I_с.

Основными параметрами полевых транзисторов являются кру­тизна характеристики передачи

S =dIc / dUзи при Uси= const

и дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке на­сыщения

Rc =dUcи / dIc при Uзи = const.

5. Интегральные микросхемы (линейно-импульсные и логические)

Применение электронных устройств для решения все более сложных технических задач приводит к постоянному усложнению их электрических схем. Создание новых электронных устройств с большим количеством элементов стало возможным на базе микроэлектроники. Микроэлектроникой называют научно-техническое направление электроники, охватывающее проблемы создания микроминиатюрных электронных устройств, обладающих надежностью, низкой стоимостью, высоким быстродействием и малой потребляемой энергией. Основным конструктивно-техническим принципом микроэлектроники является элементная интеграция- объединение в одном сложном элементе многих простейших элементов. Полученный в результате такого объединения сложный микроэлемент называют интегральной микросхемой (ИМС).

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготовляются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неразделимое целое.

С точки зрения интеграции основными параметрами интегральных микросхем является плотность и степень интеграции. Плотность упаковки характеризует количество элементов в единице объема ИМС, степень интеграции – количество элементов, входящих в состав ИМС. По степени интеграции все ИМС принято подразделять на ИМС : первой степени интеграции – до 10 элементов, второй степени – от 10 до 100 элементов, и третьей степени – от 100 до 1000 элементов и т.д.

В отличии от полупроводниковых диодов и транзисторов ИМС представляют собой не отдельные элементы, а целые функциональные устройства, предназначенные для преобразования электрических сигналов. В зависимости от назначения в интегральной микросхеме могут нормироваться разные параметры, характеризующие функциональное устройство в целом. По назначению все ИМС подразделяются на 2 класса : линейно-импульсные и логические.

К линейно-импульсным микросхемам относят микросхемы, которые обеспечивают примерно пропорциональную зависимость между входными и выходными сигналами. Входным сигналом чаще всего является входное напряжение, реже входной ток, выходным сигналом – выходное напряжение. Простейшим примером линейно-импульсной микросхемы является широкополосный усилитель постоянного тока. Ориентировочные параметры такого усилителя следующие : К >= 50 000, Rвх >= 0.5 MОм, Rвых <= 100 Oм, fв= 20МГц. Где : К – коэффициент усиления по напряжению , Rвх – входное сопротивление, Rвых – выходное сопротивление , fв- верхняя граница частотного диапазона.

Логические интегральные микросхемы, как правило, представляют собой устройства с несколькими входами и выходами. В них как входные, так и выходные напряжения могут принимать лишь определенные значения. Основными параметрами этих микросхем являются входное и выходное напряжения и быстродействие.

Общетехнические параметры ИМС - механическая прочность, диапазон рабочих температур, устойчивость к пониженным и повышенным давлениям и влагостойкость – обычно не хуже, чем у диодов и транзисторов

Как было отмечено, важным преимуществом интегральных микросхем является их высокая надежность. Другим не менее важным преимуществом являются их малые массогабаритные параметры. Большие интегральные микросхемы (БИС), содержащие до нескольких десятков-сотен тысяч элементов, имеют массу, не превышающую нескольких грамм. При этом большая ее часть приходится на корпус, выводы и подложку, а не на активные полупроводниковые элементы. Плотность активных элементов в самой БИС достигает 10 000 эл/куб.см. Это в 50-100 раз больше, чем при использовании отдельных транзисторов, диодов, резисторов и т.д. в микромодульных схемах.

Интегральные микросхемы обладают высоким быстродействием, так как их малые размеры обеспечивают снижение таких паразитных параметров, как межэлектродные емкости и индуктивности соединительных проводников. Это позволяет создать высокочастотные усилители на частоты 1-3 ГГц и быстродействующие логические схемы с задержкой не более 0,1 нс.

Достоинством ИМС является также их высокая экономичность. Даже большие интегральные микросхемы обычно потребляют не более 100-200 мВт, существуют микросхемы, потребляющие от источника питания не более 10-100 мкВт. Такие низкие потребляемые мощности позволяют снизить расход электроэнергии, уменьшить массу источников питания устройств, выполненных с применением интегральных микросхем.

Интегральные микросхемы на два сильно отличающиеся друг от друга класса : 1) полупроводниковые ИМС ; 2) гибридные ИМС.

Полупроводниковая ИМС – полупроводниковый кристалл, в толще которого

Выполняются все компоненты схемы : полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Поверхность проводника покрывается изолирующим слоем окисла, по которому в нужных местах расположен слой металла, обеспечивающий соединения между элементами схемы.

Полупроводниковые ИМС обладают следующими особенностями:

1. В кристалле полупроводника могут быть выполнены полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, полевые транзисторы) и полупроводниковые резисторы. В качестве конденсаторов с емкостью до 200-400 пФ используют емкости полупроводниковых диодов, смещенных в обратном направлении. Наиболее предпочтительными элементами являются те, которые занимают наименьшую площадь на кристалле, это, в первую очередь, полевые транзисторы МДП-типа , затем другие полупроводниковые приборы. Конденсаторы большей емкости и магнитные элементы (дроссели, трансформаторы) в составе полупроводниковых ИМС не выполнимы.

2. Точность воспроизведения параметров компонентов полупроводниковой ИМС невелика, но одинаковые элементы на одном кристалле имеют практически идентичные параметры.

3. Технология ИМС очень сложна, и их выпуск может быть налажен лишь на крупном специализированном предприятии.

4. Затраты на подготовку выпуска нового типа ИМС велики, поэтому экономически оправдан выпуск этих изделий только очень крупными сериями .

5. Масса и габариты полупроводниковых ИМС очень малы, на одном кристалле кремния ( размером несколько квадратных сантиметров) могут располагаться десятки и сотни тысяч отдельных элементов схемы.

Гибридные ИМС. Основу гибридной ИМС составляет пленочная схема : пластина диэлектрика, на поверхности которого нанесены в виде пленок толщиной порядка 1 мкм компоненты схемы и межсоединения. Этим способом легко выполнимы пленочные проводниковые соединения, резисторы, конденсаторы. Резисторы больших номиналов выполняют в виде меандра, что обеспечивает минимальную площадь, занимаемую элементом. Сопротивление таких резисторов может достигать 100 кОМ. Пленочные конденсаторы имеют структуру. Конденсатор состоит из трех пленочных слоев : металл. За счет малой толщины диэлектрика емкость пленочных конденсаторов достигает 10 000 пФ и более. Дроссели выполнены в виде спирали, они имеют небольшую индуктивность, не более 10 мкГн. Бескорпусные полупроводниковые приборы, конденсаторы больших номиналов и магнитные элементы в гибридных ИМС выполняются навесными : эти элементы приклеиваются в определенных местах к плате, затем плата с пленочной схемой и навесными элементами помещается в герметизированный корпус, имеющий определенное количество выводов.

Гибридные ИМС обладают следующими основными свойствами :

1. Наиболее предпочтительными элементами являются пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы), число навесных элементов в ИМС должно быть небольшим, так как их установка и монтаж требуют больших затрат труда.

2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем полупроводниковых. Возможна подгонка номиналов конденсаторов (например, путем соскабливания части пленки).

3. Технология гибридных ИМС значительно проще технологии полупроводниковых. Гибридные ИМС делятся на тонкопленочные, в которых пленки создаются методом термовакуумного напыления, и толстопленочные, в которых пленки получают путем нанесения пасты через трафарет с последующим спеканием в печи.

4. Стоимость подготовки к выпуску нового типа гибридных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому экономически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми сериями ( сотни и даже десятки экземпляров).

5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем у полупроводниковых, и число компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков.

Полупроводниковые ИМС в основном являются ИМС общего применения, т.е. выпускаются в виде типовых элементов для различных областей использования, обладают универсальными достоинствами, что обеспечивает их высокий тираж. Гибридная технология особенно предпочтительна при разработке ИМС частного применения, т.е. для решения какой-то определенной задачи. В этом случае тираж ИМС обычно не высок, и экономически выгоднее выпуск гибридных ИМС.

6. Операционные усилители (ОУ): параметры и характеристики

Операционные усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению к_u= =510³ - 510⁶ и высокое входное сопротивление R_вх=20 кОм - 10 МОм. Современные ОУ выполняются многокаскадными и включают в себя ряд дополнительных устройств (защиту, термокомпенсацию и др.) Массовое применение ОУ обусловлено их универсальностью: устройства на их базе могут осуществлять усиление, выполнять математические операции, сравнивать электрические величины, генерировать сигналы различной формы.

В данной работе использована микросхема К544УД1А, которая представляет собой операционный усилитель общего назначения с высоким входным сопротивлением. приведены условные обозначения и типовая схема включения ОУ. Он имеет два входа и один выход. При подаче сигнала на инвертирующий вход U_вх.и. приращение выходного сигнала U_вых находится в противофазе (противоположное по знаку) с приращением U_вх, а при подаче на неинвертирующий вход - совпадают по фазе (одинаковы по знаку). В зависимости от конкретного устройства на базе ОУ используют как инвертирующий, так и неинвертирующий входы.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) U_вых=f(U_вх) (рис.8.3) и амплитудно-частотные (АЧХ) к_U(f). Последние имеют вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.). Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого к_U= =const, и нелинейный - к_U^к_U. При реализации конкретных устройств используют линейные и нелинейные участки.

Операционный усилитель. Схемы на его основе.

Операционным обычно называют усилитель, имеющий в идеальном случае следующие параметры и характеристики: коэффици­ент усиления по напряжению, стремящийся к бесконечности; АЧХ с граничными частотами, равными нулю и бесконечности; бесконечно большое входное и нулевое выходное сопротивления. Кроме того, опе­рационный усилитель (ОУ) должен иметь дифференциальный вход и однотактный выход. Условное изображение ОУ на схемах показано на рисунке. В схемах указывают инвертирующий и неинвертирующий входы: инвертирующий вход выделяется кружком.

В практических схемах ОУ используются с цепями ОС. Простейший вариант включения ОУ, в котором цепь обратной связи образована - активным резистором R₂, показан на рисунке. Коэффициент усиления ОУ такой схемы, счи­тая, что R_ВХ=∞, R_ВЫХ=0, а коэффициент усиления ОУ, не охваченного цепью ООС, равен Ко, причем Ко принимаем беско­нечно большим. При принятых допущениях i_ВХ=0, U_ВЫХ= -KoU_ВХ, токи i₁ и i₂ равны. Для идеального ОУ в случае схемы включения, показанной на ри­сунке, коэффициент усиления определяется только параметрами цепи ОС, и, следовательно, стабильность усиления зависит лишь от стабиль­ности элементов, обеспечивающих ОС.

Суммирующие усилители на оу.

Н а рис. показан ОУ, используемый для реализации суммирующего усилителя (который также иногда называется аналоговым сумматором). На такой схеме можно выполнить сложение нескольких напряжений. Каждому из суммируемых напряжений соответствует один входной зажим. Единственный выходной сигнал схемы представляет собой сумму различных входных напряжений, умноженную на некоторый коэффициент усиления схемы. Как правило, коэффициент усиления задается таким образом, чтобы выходной сигнал имел некоторое заданное значение при максимальных напряжениях сигналов на всех входах схемы. В других же случаях номиналы сопротивлений выбираются исходя из обеспечения единичного коэффициента усиления. , где R1=R2=R3=R

Интегрирующие усилители на оу.

Н а рис. представлена схема на ОУ, используемая в качестве интегрирующего усилителя (интегратором). С помощью этих схем можно осуществить интегрирование различных сигналов (часто прямоугольных колебаний). Интегратором наз. устройство на основе ОУ, реализующее передаточную функцию вида:

Дифференцирующие усилители на оу.

Н а рис. показана схема на ОУ, используемая в качестве дифференцирующего усилителя (или дифференциатора). С помощью этой схемы можно осуществлять дифференцирование различных сигналов (обычно прямоугольных колебаний или пилообразных и наклонных колебаний). Выходное напряжение усилителя обратно пропорционально постоянной времени цепи обратной связи и прямо пропорционально ско­рости изменения входного напряжения. Дифференциатором наз. устройство, реализующее передаточную функцию вида:

Также компаратор и перемножитель в своей основе имеют ОУ.

Компаратор отличается от ОУ те, что в нем приняты меры, исключающие какие-либо цепи обратной связи (т.е. к достижению максимального К_U).

П еремножитель представляет собой специализированный ОУ, реализующий на схемном уровне функцию перемножения входных сигналов.

7. Усилители, их характеристики.

1 Устройство и основные характеристики операционных усилителей

Операционный усилитель (ОУ) - это многокаскадный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом , по своим характеристикам приближающийся к "идеальному усилителю": -бесконечный коэффициент усиления по напряжению ; -бесконечное полное входное сопротивление ; -нулевое полное выходное сопротивление ; -равенство нулю выходного напряжения при равных напряжениях на входе (U1=U2); -бесконечная ширина полосы пропускания ( отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

Характеристики операционных усилителей

ОУ характеризуются усилительными, входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми, частотными и скоростными характеристиками.

Усилительные характеристики

Коэффициент усиления К равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному напряжению (току) при отсутствии обратной связи (ОС). Он изменяется в пределах от 10³ до 10⁷.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики (рис. 1.3).

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 горизонтального и наклонного участков.

Рис. 1.3

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжением +U_{вых (max)}, -U_{вых (max)}. Эти напряжения близки к напряжению источников питания.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления.Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ: K_uоу = U_вых / U_вх. Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами,которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Амплитудные характеристики, представленные на (рис. 1.3), 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 (U_вых = + U_вых или U_вых = - U_вых).