Классификация и основные характеристики ИМС

Классификация и основные характеристики ИМС

1) Степень интеграции (плотность упаковки) является показателем сложности ИМ.

Степень интеграции - это число простых элементов и компонентов входящих в состав ИМС. Количественно степень интеграции характеризуется числом K = lg N, где K – это степень интеграции, N – это число простых элементов в ИМС.

По степени интеграции ИМС делятся на интегральные схемы:

1^-ой степени: К=1 N< =10 т.е. с числом элементов меньше 10;

2^-ой степени: К=2 N< =100;

3^-ой степени: К=3 N< =10³ – их называют большие ИС т.е. БИС;

4^-ой степени: К=4 N< =10⁴ - их называют большие ИС т.е. БИС;

5^-ой степени: К=> 5 N< =10⁵ - их называют сверхбольшие ИС т.е. СБИС.

Сложность ИС характеризуется также плотностью упаковки, т.е числом элементов в единице обьема или на единице площади кристалла.

2) По функциональному назначению ИМС делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые ИС (АИС) это микросхемы, которые предназначены для преобразования и обработки сигнала представленных в аналоговом виде. Это сигналы, которые описываются непрерывными функциями времени. В основе аналоговых схем лежит простейший усилительный каскад на основе которого строят другие устройства. В настоящее время под аналоговыми принято называть следующие операции: усиления, сравнения, ограничение, перемножение, частотная фильтрация.

Цифровые ИС (ЦИС) это микросхемы, которые предназначены для преобразования и обработки сигналов, представленных в двоичном или другом цифровом коде. В основе цифровых схем лежит ключ и переключатель тока.

Как правило, ИС разрабатываются и выпускаются изготовителями сериями.

3) По технологии изготовления: полупроводниковые, гибридные (плёночные), а также совмещённые.

Полупроводниковые ИМС (ПИМС). В них все элементы и межэлементные соединения выполнены в объёме и на поверхности кристалла проводника, т.е. полупроводниковые ИМС представляют собой кристалл полупроводника отдельные области которого выполняют функции транзистора, конденсатора, резистора и диода. Катушки индуктивности и конденсаторы с большой ёмкостью стараются не применять, поскольку они не выполнимы по интегральной технологии.

Транзисторы представляют собой трёхслойную структуру с двумя p-n-переходами обычно применяют n-р-n реже р-n- р транзисторы. Для изоляции транзисторов друг от друга используют два метода: изоляция диэлектриком, и изоляция p-n-переходом.

Диоды в ИМС – это двухслойная структура с одним p-n-переходом, обычно, в качестве диода используют транзистор в диодном включении.

Конденсаторы в ИМС – получают на основе p-n-перехода транзистора смещённого в обратном направлении. Максимально допустимая ёмкость конденсатора, применяемая в ИМС не должна превышать 200 пФ.

Резисторы в ИМС – это участки легированного полупроводника с двумя выводами. Сопротивление диффузионных резисторов зависит от удельного сопротивления полупроводника и геометрических размеров и обычно не превышает единиц килоом. В качестве высокоомных резисторов используют входные сопротивления эмиттерных повторителей, сопротивления которых может достигать сотен килоом.

Поскольку все элементы ИС получают в едином технологическом цикле в кристалле полупроводника, то количество операций на их изготовление не намного превышает количество операций по изготовлению отдельного транзистора. Поэтому стоимость ИС не намного превышает стоимость одного транзистора. Это вносит особенности в схемотехнику ИС – в ИС предпочтительно использовать транзисторы одного вида т.к. это упрощает технологию изготовлния ИС.В зависимости от транзисторов, которые используются в ИС различают целый ряд технологий изготовления ИС: биполярная n-p-n технология, биполярная p-n-р технология, совмещенная биполярная технология, и т.д.

Гибридная ИМС (ГИМС). В гибридной ИМС пассивные элементы выполняют по пленочной технологии, т.е. путем нанесения различных пленок на поверхность диэлектрической подложки из стекла или керамики, а активные элементы – это бескорпусные транзисторы. В зависимости от толщины пленок различают тонкопленочные (< 1мкм) и толстопленочные (> 1мкм) ГИМС. Помимо количественных различий у них существует и различие по технологии нанесения пленок. Тонкопленочные элементы формируют как правило путем термического вакуумного испарения и ионного распыления, а толстопленочные элементы наносят на подложку методом трафаретной печати с последующим вжиганием. Подложка с расположенными на ней элементами, проводниками и контактными площадками называется платой. Плату помещают в жесткий металлический или пластмассовый корпус, который предназначен для механической прочности и герметизации.

Производство полупроводниковых схем (ПИМС) отличаются большими затратами и сложностью оборудования, и окупается лишь при массовом производстве ИМС. Производство ГИМС отличается малыми затратами на производство и применяется при малосерийном производстве, но плотность упаковки у них значительно ниже.

4) По виду активных элементов различают ИС:

1. на биполярных транзисторах;

2. на полевых МДП-транзисторах (металл диэлектрик проводник);

3. на КМДП-транзисторы (комплиментарных полевых транзисторах со структурой металл-диэлектрик-проводник) – комплиментарные - это транзисторы с одинаковыми параметрами, но имеющие разный тип проводимости канала.

Маркировка ИМС

Промышленность выпускает ИМС сериями. Серия объединяет ряд отдельных схем единых по технологическому признаку, согласованных по напряжения питания, уровням входных и выходных сигналов и конструктивному оформлению. Серии ИМС стремятся разрабатывать так, чтобы из входящих в них схем можно было построить законченное устройство.

Маркировка ИМС по ГОСТ состоит из 4 элементов.

ПРИМЕР: 140 УД 8 А или К 155 ЛА 3

1) Первые три или четыре цифры - номер серии. Он характеризует конструктивно-технологическое деление и состоит из двух частей:

первая цифра дает деление по технологии изготовления: 1, 5, 7 – это полупроводниковые ИМС ( 7 – это бескорпусные ИС); 2, 4, 6, 8 – это ГИМС; 3 – прочие (пленочные) ИМС.

Две или три следующие цифры означают порядковый номер разработки ИМС (от 0 до 999).

2) две буквы – это функциональное назначение ИМС. Например, УД – операционный усилитель; ПС – аналоговый перемножитель; ЛА – логический элемент «И-НЕ»; ЛЕ – логический элемент «ИЛИ-НЕ»; ЕН – линейный стабилизатор напряжения; ЕП – Импульсный стабилизатор напряжения.

3) Третий элемент - две цифры. Это порядковый номер разработки в данной серии.

4) Четвертый элемент и буква. Она характеризует деление по параметрическим группам.

Иногда перед условным обозначением стоит буква «К», это значит микросхема широкого применения, если буквы нет, то это ИС специального назначения.

Иногда перед условным обозначением стоят две буквы – они указывают тип корпуса. Например:

КМ – тип корпуса

КР – пластмассовый корпус

КМ – керамо-металлический

КЕ – металло-полимерный

Искажения в усилителях

Идеальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление входного сигнала без усиления входной формы. В реальных усилителях, между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8..

Нелинейное искажение связаны с нелинейностной ВАХ активных элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ). ,

где U_2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U_2m2… амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения

Линейные искажения возникают за счёт зависимости частотной характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Идеального неискажающий усилитель должен иметь постоянный коэффициент усиления. В таком усилителе искажения нет. Считаем, что на вход воздействует сигнал, состоящий из двух составляющих ω ₀ и 2ω ₀. Из-за непостоянного коэффициента усиления, составляющее входной сигнал с частотой 2ω ₀. будет усиленно в меньшее число раз, чем составляющая ω ₀. А следовательно сумма этих сигналов будет отличаться от формы от формы суммы сигналов на входе. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, под которым понимают неравномерность коэффициента усиления

Мн=Мв= К⁰_u /К_u(ω _гр).

Фазовое искажение возникает из-за непостоянства фазового сдвига для различных гармоничных составляющих. Они обычно жестко связаны с частотными искажениями и поэтому специальными параметрами их не оценивают. Линейные искажения наблюдаются только при усилении сигнала сложной формы, т.е. сигналов, спектр которых содержит несколько гармонических составляющих.

Классификация усилителей

1) По абсолютному значению усиливаемых частот.

2) По характеру входного сигнала:

1. Усилители непрерывных сигналов;

2. Усилители импульсных сигналов;

2) По назначению:

1. Усилители напряжения;

2. Усилители тока;

3. Усилители мощности;

3). По виду используемых активных элементов:

1. Усилители на электронно-вакуумных лампах (ЭВЛ);

2. Усилители на биполярных транзисторах (БТ);

3. Усилители на полевых транзисторах (ПТ);

4. Усилители на туннельных диодах (ТД);

5. Параметрические усилители. В них активным усилительным элементом является реактивный элемент цепи: L, C;

6. Усилители на интегральных схемах;

4). По числу усилительных каскадов:

Под усилительным каскадом понимают минимальный набор пассивных и активных элементов, обеспечивающих усиление электрического сигнала.

7. Однокаскадные;

8. Многокаскадные;

5). По виду связи между каскадами:

1). Усилители с RC-связью или с реостатно-емкостными связями (рис.8. ). Каскады 1 и 2 должны иметь общую точку нулевого потенциала. Такая связь возможна только в усилителях переменного тока.

2). Трансформаторная связь (рис.8. ). При трансформаторной связи передача сигнала от одного каскада к другому осуществляется с помощью трансформатора. Каскады могут не иметь общей точки нулевого потенциала. Такая связь возможна только в усилителях переменного тока.

3). Непосредственная или гармоническая связь между каскадами (рис. ). Связь между каскадами осуществляется непосредственно или через резисторы. При такой связи каскады обязательно должны иметь общую точку нулевого потенциала и такая связь применима только в УПТ.

4). Оптронная связь (рис. ). При такой связи каскады могут не иметь общей точки нулевого потенциала. Такая связь применима в усилителях переме6нного тока и УПТ.

Многокаскадные усилители

Одиночный усилительный каскад имеет невысокий коэффициент усиления (10-500). Для получения больших коэффициентов усиления применяют многокаскадные усилители, в которых каскады соединяют последовательно.

Будем считать, что: 1) частотная характеристика коэффициента усиления i-ого каскада и равны К_i(jω )= К_i(ω )e^jφ; 2) каскады согласованы по напряжению т.е. выходное сопротивление предыдущего и входное сопротивление последующего связаны соотношением . Последнее означает, что каскады можно рассматривать как независимые.

Отсюда следует, что

Отсюда следует, что АЧХ коэффициента усиления есть , а его ФЧХ - . Эти соотношение говорят о том, что с увеличением числа каскадов Коэффициент усиления возрастает, а полоса пропускания многокаскадного усиления уменьшается. Так, если все каскады одинаковы и имеют граничную частоту , то общая граничная частота многокаскадного усилителя равна , где n - число каскадов.

Режимы работы активных элементов усилительного каскада

Режим работы активного элемента усилительного каскада характеризуется: а) его рабочей точкой; б) уровнем (величиной) входного сигнала; в) наличием резистора в коллекторной цепи.

Рабочая точка это совокупность постоянных напряжений и токов на выводах активного элемента при отсутствии сигнала на входе. Для биполярного транзистора рабочая точка определяется четырьмя величинами . Эти величины взаимосвязаны и потому достаточно задавать лишь две из них.

В зависимости от уровня входного сигнала различают два режима работы. 1. Режим малого входного сигнала, когда выполняется условие . В таком режиме рабочую точку выбирают из условия, когда . Чаще всего за рабочую точку принимают режим рекомендованный в справочниках для измерений параметров биполярного транзистора. Для маломощных транзисторов это составляет ;

2. Режим большого входного сигнала, когда . Рабочую точку выбирают по ВАХ транзистора исходя из получения , . Положение рабочей точки определяют по графикам входных и выходных ВАХ.

В зависимости от положения рабочей точки различают следующие классы работы активных элементов. Режим класса: A, В, AB, С, D.

1. Режим класса А. Рабочая точка выбирается на середине линейного участка ВАХ (точка А) и при воздействии входного сигнала ее положение остается в пределах этого линейного участка (участок АВ–F). Здесь КНИ→ min, а КПД→ max.

2. Режим класса В. Рабочая точка выбирается при напряжении, когда выходной ток практически обращается в ноль. Здесь .

3. Режим класса АВ. Рабочая точка выбирается на начале линейного участка.

4. Режим класса С. Рабочая точка выбирается при U_{БЭ РТ}< U_{БЭ ПОР}.

5. Режим класса Д. Биполярный транзистор работает не в усилительном, а в ключевом режиме и под действием входного сигнала находится в одном из двух состояний: насыщения или отсечки.

Принцип работы усилительного каскада на биполярном транзисторе в активном режиме

Биполярный транзистор в зависимости от наличия сопротивления в цепи коллектора может работать в двух режимах: статическом (ненагруженном) или динамическом (нагруженном).

Ненагруженным режимом работы считается режим, когда в коллекторной цепи отсутствует коллекторное сопротивление (рис. ). Здесь U_б_m - амплитуда гармонического входного сигнала, а U_{бэ рт} напряжение источника задающего рабочую точку транзистора, Ек – источник питания коллекторной цепи.

Схема работает так. Под действием источников напряжения в цепи базы возникает ток базы, состоящий из двух составляющих I_б=I_брт+I_б_m. Под действием этих токов базы в цепи коллектора возникает ток коллектора состоящий из двух составляющих I_к= BI_б= I_крт+I_к_m.

Коэффициент усиления сигнала по току составляет К_i=I_к_m/I_б_m =B т.к. В> > 1, то происходит усиление по току.

В ненагруженном режиме U_кэ=Е_к и потому режим называют статическим. В этой схеме нет усиления по напряжению.

Для усиления сигнала по напряжению применяют нагруженный режим работы транзистора. В коллекторную цепь транзистора включают резистор R_к (рис. ). Он служит для преобразования усиленного переменного тока в усиленное выходное напряжение. В таком режиме выходное напряжение связано с I_к соотношением U_кэ=Е_к- I_кR_к, его называют нагрузочной прямой. Под действием входного сигнала напряжение U_кэ изменяется во времени, а потому этот режим называется динамическим. Полезным эффектом в процессе усиления является усиление переменной составляющей входного сигнала.

U_кэ= E_к– J_кR_к= E_к – J_кртR_к – J_к_mR_к = U_кэрт – U_кэ_m

Отсюда следует, что

где h₁₁ - входное сопротивление БТ, это сопротивление ЭП смещенного в прямом направлении.

Схема с ОЭ.

Схема с ОК

Схему с ОК называют эмиттерным повторителем. В схеме такого каскада возникает 100% последовательно-параллельная отрицательная обратная связь. Благодаря этому эмитерный повторитель имеет следующие параметры:

1)R_вх- высокое 4)K_J> 1

2)R_вых-малое 5)K_p=K_UK_J> 1

3)K_u≤ 1

При анализе работы транзистора в режиме большого сигнала для расчета коэффициента усиления пользуются графо-аналитическим методом.

Считаем, что рабочая точка выбрана на середине рабочего участка и задана током базы в рабочей точке.

Методы задания рабочего режима (рабочей точки) активного элемента и его стабилизация.

В предыдущей схеме рабочая точка БТ задавалась двумя источниками ЭДС. Применять два источника напряжения не целесообразно т.к. это отдельные устройства и требуют дополнительных затрат. Для создания рабочей точки транзистора обычно используют источник Ек, а рабочую точку на базе задают с помощью резисторов путем задания необходимого тока базы или напряжения база-эмиттер. Рассмотрим основные схемы.

1) Схема с фиксированным током базы I_б.рт..

В этой схеме рабочая точка задается током базы I_б.рт..

Его величина задается сопротивлением резистора R_б. Его величина выбирается из соотношения

R_б=(E_к-U_бэ_рт)/I_б_рт.

а величина резистора Rк выбирается из соотношения

I_{к рт}= ВI_б_ртотсюда, U_кэ_рт= E_к- R_к I_к_рт.

Преимущество схемы: простота схемы.

Недостаток: рабочая точка, т.е. U_{кэ рт} сильно зависит от температуры окружающей среды и параметров конкретного транзистора.

2.) Схема с резистивным делителем в цепи базы.

В этой схеме - R₁, R₂ – резистивный делитель цепи базы, с его помощью задается необходимая величина U_{бэ рт}. (Он делит напряжение Е_к и получает необходимое напряжение на базе).

3.) Схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки.

R_Э – сопротивление эмиттерной цепи, с его помощью создается отрицательная обратная связь, которая стабилизирует положение рабочей точки. Схема работает так. С возрастанием температуры окружающей реды I_К.РТ возрастает, это приводит к тому, что U_КЭ.РТ уменьшается. Так происходило бы, если бы не было R_Э, а с R_Э происходит так. С возрастанием температуры I_К.РТ возрастает (U_К.РТдолжно бы уменьшаться, но) I_Э.РТ»I_К.РТ, при этом U_R_Э возрастает, а U_БЭ.РТ=(U_Б1-U_R_Э) уменьшается, уменьшение этого напряжения эквивалентно уменьшению I_Б.РТ, что приводит к тому, что I_k₀ уменьшается, а Uкэ остается постоянным, т. е. U_КЭ.РТ= const.

4.) Схема с коллекторной стабилизацией рабочей точки.

В этой схеме рабочая точка задается током в цепи базы который возникает за счет обратной связи. Благодаря ему происходит стабилизация выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды.

Обратная связь в усилителях

Под обратной связью понимают передачу части выходного сигнала на вход усилителя. В усилителях возникают три вида обратной связи: внутренняя, паразитная, внешняя.

Внутренняя - имеет место во всех активных элементах и определяется их конструкцией и физическими процессами в них происходящими. Например, параметр h₁₂ в биполярном транзисторе характеризует обратную связь, которая возникает за счет модуляции ширины базы.

Паразитная – обусловлена наличием паразитных индуктивно-емкостных (L, С) связей путей, которые создают пути для передачи части выходного сигнала на вход.

Внешняя обратная связь – создается введением в схему специальных элементов.

Все виды обратной связи существенно влияют на параметры и характеристики усилителя. При этом от внутренней и паразитной стараются избавится за счет рационального выбора элементов и конструкции усилителя, а внешнюю вводят специально. Она позволяет:

1. Увеличить стабильность коэффициента усиления;

2. Расширить диапазон усиливаемых частот;

3. Уменьшить искажение, создаваемое усилителем;

4. Управлять входным и выходным сопротивлением в нужном направлении.

Типы обратной связи

В зависимости от способа снятия сигнала обратной связи с выхода и подачи на вход различают четыре типа обратной связи. Их название состоит из двух слов. Первое говорит как сигнал подается на вход, второе – как снимается с выхода:

1) Последовательно – параллельная обратная связь.

2) Параллельно – параллельная обратная связь:

3) Последовательно – последовательная обратная связь.

4) Параллельно – последовательная обратная связь.

Всякая последовательная обратная связь (по входу или по выходу) увеличивает соответствующее сопротивление в (1+bK°) раз. Всякая параллельная обратная связь уменьшает соответствующее сопротивление в (1+bK°) раз.

Усилитель с RC связью

Принципиальная схема усилителя с RC связью имеет вид:

R₁, R₂ – резистивный делитель цепи Б, задает РТ. R_Э – эмиттерное сопротивление, служит для температурной стабилизации РТ. R_k – сопротивление коллекторной цепи, на нем выдается усиленный переменный сигнал. R_н – сопротивление нагрузки C_p – разделительная ёмкость, C_Э – конденсатор эмиттерной цепи, устраняет отрицательную обратную связь, создаваемую R_э,в рабочем диапазоне частот С_ф – конденсатор фильтра ЧП,

Избирательные усилители

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов спектры которых находится в относительно узком диапазоне частот.

Основной характеристикой усилителя является зависимость коэффициента усиления от частоты. По ней определяются основные параметры.

1) - коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот.

2) - средняя частота рабочего диапазона частот.

3) - диапазон рабочих частот.

, где ω _в, ω _н – верхняя и нижняя граничные частоты.

4) Избирательность - характеризуется крутизной спадов АЧХ. Количественно избирательность оценивают коэффициентом прямоугольности, который рассчитывают так

Идеальный избирательный усилитель имеет , а его характеристика имеет прямоугольный вид.

По принципу действия избирательные усилители бывают двух типов:

1) С частотно-зависимой нагрузкой.

2) С частотно-зависимой обратной связью

Избирательные усилители с частотно-зависимой нагрузкой

В таких усилителях в качестве нагрузки обычно применяют параллельный колебательный контур. Благодаря его резонансным свойствам, характеристика усилителя приобретает избирательный характер, а поэтому такие усилители иногда называют резонансными.

Схема резонансного усилителя имеет вид:

Частотная характеристика избирательного усилителя определяется выражением

- сопротивление параллельного колебательного контура.

Эквивалентная схема параллельного колебательного контура имеет вид:

В нее введен резистор с сопротивлением , он учитывает резистивные потери реактивных элементов колебательного контура.

Частотная характеристика сопротивления параллельного контура имеет вид

Частота, на которой сопротивление контура становится резистивным называется резонансной. Она определяется так: .

- характеристическое сопротивление контура.

- добротность, - обобщенная расстройка.

Она обращается в нуль, когда частота воздействующего сигнала на контур равна .

; - полоса пропускания колебательного контура.

, при постоянной , изменяя можно изменять

Поскольку ЧХ усилителя определяется ЧХ колебательного контура, то она имеет аналогичный вид, а следовательно усилитель обладает избирательными свойствами. Подключение нагрузки к выходу усилителя ухудшает избирательные свойства, уменьшая добротность контура, для исключения этого явления в резонансных усилителях обычно применяют частичное включение колебательного контура.

Усилители мощности

Обычно это выходные каскады многокаскадных усилителей. Они служат для повышения нагрузочной способности и создают на нагрузке сигнал заданной мощности. Такие усилители работают в режиме большого сигнала, а потому их основными параметрами являются следующие:

1) Выходная мощность:

2) Коэффициент полезного действия: (КПД)= ,

- мощность потребляемая источником питания.

, где - мощность выдаваемая на коллекторных переходах транзистора усилителя мощности.

3) КНИ – коэффициент нелинейного искажения. Под искажениями понимают – отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе.

Классификация усилителей мощности

1) В зависимости от рабочей точки активных элементов, это усилители класса А, АВ, В, С, Д.

2) По связи с нагрузкой, это: усилители с трансформаторной связью; без трансформаторной усилителя мощности.

3) По схемотехническому решению: однотактные усилители; двухтактные усилители.

4) По виду усиливаемого сигнала: апериодические усилители – они предназначены для усиления широкополосных непрерывных сигналов; резонансные усилители мощности – они предназначены для усиления сигналов в узком диапазоне частот.

Режим класса А.

Рабочая точка выбирается на середине линейного участка. Проведем графоаналитически расчет КПД и оценим качественно КНИ (рис.8. )

;

Основным недостатком режима класса А является малое значение КПД< 25%. Их преимущество является малые нелинейные искажения, поскольку рабочая точка выбрана на середине нелинейного участка.

Режим класса В.

Оценим его КПД и нелинейные искажения. В режиме класса В, рабочая точка выбирается при напряжении отсечки. В этом случае U_ВЫХ создает в цепи базы тока полуволну тока. Для режима класса В КПД рассчитывают для одного полу периода.

Достоинством режима класса В является высокое КПД, а недостатком существенное нелинейное искажение, отрицательная полуволна входного сигнала отсутствует. Поэтому режим класса В в однотактных усилителях не применяются, он применяется лишь в двухтактных схемах усилителя.