2.5. Мікросхеми

Основною умовою застосування інтегральних мікросхем є строге дотримання режимів роботи, які рекомендовані в технічних умовах на вибрану мікросхему. Це відноситься в першу чергу до значень і полярності напруг живлення, опору навантаження і діапазону температур оточуючого середовища.

Бажано розглянути можливість застосування інтегральних мікросхем загального застосування, які характеризуються низькою вартістю, широким діапазоном напруг живлення, наявністю захисту входу і виходу. Зокрема, при розрахунку підсилювачів низької частоти на операційних підсилювачах (ОП) необхідно надавати перевагу мікросхемам серій: К140, К544, К153. При виборі типів операційних підсилювачів можна користуватися даними, які наведені в додатку 8 або довідковою літературою [15, 22, 23].

Для усунення високочастотної паразитної генерації через спільні кола живлення, до кожного виводу живлення операційного підсилювача рекомендується під’єднати конденсатор ємністю (0,01 – 0,05) мкФ. Для схем, які чутливі до малих значень вхідних напруг і струмів, потрібно передбачити захист входів ОП від струмів витікання, який доцільно виконати у вигляді провідного кільця, друкованої доріжки, яке розташовують навколо входів ОП і з’єднують з спільним виводом схеми. Шини живлення вихідних каскадів слід з’єднати безпосередньо з виходами блоку живлення.

Для захисту входів ОП від викидів диференціального сигналу при перехідних процесах бажано між його входам вмикати два зустрічно-паралельні діоди. Якщо ОП не має вбудованого захисту від короткого замикання на виході, то необхідно послідовно з вихідним виводом ввімкнути резистор з опором біля 200 Ом, а коло зворотного зв’язку під’єднати до другого виводу цього резистора. Таке ввімкнення забезпечує захист ОП від короткого замикання на виході і практично не впливає на вихідний опір схеми.

3. Основні параметри підсилювальних елементів

3.1. Основні характеристики і параметри біполярного транзистора

Для розрахунку електронної схеми на біполярному транзисторі потрібно мати два основні сімейства статичних характеристик: сімейство вхідних характеристик, які відображають залежність І_вх= f (U_вх) при різних значеннях напруги на вихідному електроді, і сімейство вихідних характеристик – залежність І_вих= f (U_вих) при різних значеннях вхідного струму.

Вхідні і вихідні характеристики біполярного транзистора різні для різних схем ввімкнення. Тому для трьох основних схем ввімкнення транзистора: зі спільною базою (СБ), спільним емітером (СЕ) і спільним колектором (СК), існують три сімейства вхідних і три сімейства вихідних характеристик. Однак, на практиці при розрахунках схем на транзисторах використовують тільки характеристики для ввімкнення з спільною базою і спільним емітером, які наводяться в довідниках.

При розрахунку транзисторного каскаду в схемі зі СБ використовуються вхідні характеристики – залежність струму емітера від напруги між базою і емітером І_е= f (U_бе) для різних значень напруги між колектором і базою U_бк і вихідні характеристики – залежність струму колектор від напруги між колектором і базою І_к= f (U_бк) для різних значень струмів емітера І_е.

При розрахунку транзисторного каскаду в схемі зі СЕ використовуються вхідні характеристики – залежність струму бази від напруги між базою і емітером І_б= f (U_бе) для різних значень напруги між колектором і емітером U_ке і вихідні характеристики – залежність струму колектор від напруги між колектором і емітером І_к= f (U_ке) для різних значень струмів емітера І_б.

До власних параметрів транзистора, які характеризують властивості транзистора незалежно від схеми його ввімкнення, відносять:

при U_кб = const  диференціальний коефіцієнт передачі емітерного струму транзистора при ввімкнення в схемі зі СБ ;

 об’ємний опір бази;

при U_к=const  диференціальний опір емітерного переходу , _Т  температурний потенціал, який при температурі Т_ос=20^оС складає _Т ≈ 25 мВ;

при I_e = const  диференціальний опір колекторного переходу;

І_к0  тепловий (зворотний) струм колектора;

 ємність (бар’єрна) колекторного переходу.

Частотні властивості біполярного транзистора визначаються такими параметрами:

f_α  гранична частота підсилення транзистора в схемі зі СБ , це частота на якій коефіцієнт підсилення за струмом α зменшується в разів;

f_β  гранична частота підсилення транзистора в схемі зі СЕ , це частота на якій коефіцієнт підсилення за струмом β зменшується в разів f_β = f_α / (1+β);

f_макс  максимальна частота генерації, це частота на якій коефіцієнт підсилення за потужністю дорівнює одиниці К_р=1;

f_гр  гранична частота підсилення, це частота на якій коефіцієнт підсилення за струмом в схемі зі СЕ дорівнює одиниці β=1.

Використовуючи ці параметри можна отримати Т-подібну еквівалентну схему заміщення транзистора для змінного струму в схемі зі СБ (рис.3.1).

Рис.3.1. Рис.3.2.

На цій схемі опір бази має дві складові , де  об’ємний опір бази;  дифузійний опір бази, який зумовлений впливом колекторної напруги на емітерну в результаті модуляції товщини бази. Об’ємний опір бази залежить від конфігурації бази (її активної і пасивної частин) і матеріалу, переважно знаходиться в межах r_б  (100  200) Ом. Для високочастотних транзисторів об’ємний опір бази може бути визначений через сталу часу кола зворотного зв’язку на високій частоті , яка наводиться в довідниках. В цьому випадку . У випадку, коли в довідниках відсутні дані про значення об’ємного опору бази, то в розрахунках можна приймати типові значення для об’ємного опору бази: для германієвих транзисторів і для кремнієвих транзисторів.

Дифузійна складова опору бази може мати достатньо велике значення і визначається наступною формулою

де  дифузійний опір емітера ( ).

Еквівалентна схема транзистора в схемі зі СЕ наведена на рис.3.2. Підсилювальні властивості транзистора визначаються генератором струму , де множником при струмі бази І_б є коефіцієнт підсилення струму в схемі зі спільним емітером . Коефіцієнт підсилення струму бази транзистора дорівнює відношенню приросту струму колектора до відповідного приросту струму бази при сталій напрузі на колекторному переході.

при .

Коефіцієнт β можна визначити через коефіцієнт підсилення струму в схемі зі СБ α за таким виразом .

Значення опору колекторного переходу для схеми зі СЕ в цій еквівалентній схемі буде значно менше ніж і буде визначатися виразом

Значення опорів кола колектор-емітер (для схеми зі СЕ) або колектор-база (для схеми зі СБ) на низьких частотах залежать від конструкції і технології виготовлення транзистора і не завжди наведені в довідниках. Тому їх переважно визначають графоаналітичним способом за допомогою дотичної, яка проводиться через точку спокою на вихідній характеристиці для відповідної схеми ввімкнення транзистора. На проведеній дотичній, як гіпотенузі, будуємо прямокутний трикутник, один з катетів якого відповідає приросту струму колектора , а другий відповідному приросту напруги на колекторі (для схеми зі СЕ) або (для схеми зі СБ). Значення опору колекторного переходу визначаємо, як відношення приросту напруги або до відповідного приросту струму колектора . Для схеми зі спільною базою , а для схеми зі СЕ . У розрахунках для малопотужних кремнієвих транзисторів можна приймати r_к 1 МОм.

Значення ємності С_ке, яка шунтує резистор буде значно більшим і складає

Значення опорів резисторів і ємностей для розглянутих схем зі СБ і СЕ будуть різні, але сталі часу в обох схемах ввімкнення будуть однакові .

Максимальне значення колекторної ємності колектор-база С_к наводиться в довідниках і складає: для низькочастотних транзисторів (20–50) пФ, а для високочастотних – (1–2) пФ.