• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Розділ 6. Інтегральні мікросхеми

6.1 Особливості ІМС як активних компонентів

Сучасні радіоелектронні пристрої та системи будуються з використанням виробів мікроелектроніки.

Мікроелектроніка - це науково-технічний напрям електроніки, який охоплює проблеми дослідження, конструювання і виготовлення високонадійних і економічних мікромініатюрних електронних схем та пристроїв фізичними, хімічними, схемотехнічними та іншими методами.

Першим завданням мікроелектроніки є створення максимально надійних електронних схем і пристроїв, що вирішується переважно шляхом використання якісно нових принципів виготовлення електронної апаратури - створенням ІМС, в яких активні елементи (транзистори, діоди), пасивні елементи (резистори, конденсатори) та з’єднувальні елементи електронної схеми формуються на поверхні чи в об’ємі напівпровідникового кристалу або на поверхні діелектричної підкладки в єдиному технологічному циклі. Мінімізація кількісті внутрішніх з’єднань дає можливість різко підвищити надійність мікроелектронної апаратури. Саме цим долаються складні суперечності між зростаючими вимогами до надійності електронної апаратури та її стрімким ускладненням.

Другим завданням мікроелектроніки є зниження вартості електронних схем та пристроїв. Це завдання вирішується шляхом формування за один технологічний цикл структур різних елементів, міжелементних з’єднань та контактних площинок. При цьому вдається уникнути багатьох нераціональних технологічних операцій, виключити роздільну герметизацію окремих елементів і значно скоротити кількість складальних операцій, необхідних при виготовленні та монтажі дискретних елементів. Ці переваги ІМС набувають більшої значущості в міру їх ускладнення та зростання в них кількості елементів. Поруч з вирішенням цих двох найважливіших завдань мікроелектроніки створення та використання ІМС сприяють різкому зменшенню маси та об’єму електронної апаратури порівняно з масою та об’ємом апаратури на дискретних елементах, а також зменшенню споживаної потужності.

При виготовленні та експлуатації ІМС вживаються спеціалізовані терміни. Виділимо найбільш поширені з них.

Інтегральна мікросхема (ІМС) або інтегральна схема – це електронний пристрій, який виконує певну функцію перетворення, обробки та (чи) накопичення інформації і має високу щільність розміщення неподільно виконаних елементів і (чи) компонентів, які електрично з’єднані між собою таким чином, що з огляду технічних вимог, випробувань, торгівлі і експлуатації пристрій розглядається як єдиний виріб.

Поняття “інтегральна схема” відображає факт об’єднання (інтеграції) окремих елементів і компонентів електронних схем у конструктивно єдиному приладі, а також факт ускладнення функцій виконуваних ІМС.

Елемент ІМС – це сформована в єдиному технологічному процесі частина ІМС, яка реалізує функцію одного з електрорадіоелементів (транзистора, конденсатора, індуктивності та ін.), виконана неподільно від кристала або підкладки і не може бути виділена як самостійний виріб з вимогами до випробувань, приймання, поставки та експлуатації.

Компонент ІМС – це частина ІМС, яка реалізує функцію одного з електрорадіоматеріалів або їх сукупності (наприклад, мініатюрний дискретний транзистор, конденсатор великої ємності, безкорпусна ІМС) і за вимогами до випробувань, приймання, поставки та експлуатації може бути виділена як самостійний виріб.

Підкладка ІМС – це конструктивна та функціональна частина ІМС, виготовлена, як правило, з напівпровідникового або діелектричного матеріалу та призначена для формування на її поверхні елементів ІМС, міжелементних і міжкомпонентних з’єднань і контактних площинок.

Напівпровідникова пластина – заготовка з напівпровідникового матеріалу (зазвичай це круглий диск товщиною 300…400 мкм), яку використовують для виготовлення напівпровідникових ІМС. Цей термін вживають також щодо пластин із сформованими елементами напівпровідникових ІМС.

Кристал ІМС – конструктивно виділена частина напівпровідникової пластини, в об’ємі та на поверхні якої сформовані елементи напівпровідникової ІМС, міжелементні з’єднання, а по периметру – контактні площинки. Кристали ІМС одержують після закінчення повного технологічного циклу формування елементів та різання напівпровідникової пластини, яка складається із сотень однотипних кристалів. У кристалі формуються функціально закінчені напівпровідникові ІМС. В іноземній літературі їх називають чипами.

Контактна площинка - це металізована ділянка на платі або на кристалі, яка служить для приєднання зовнішніх виводів ІМС, контактів навісних компонентів, а також для контролю її електричних параметрів і режимів. Такі елементи є у будь-якій ІМС незалежно від технологічних та функціональних особливостей.

Корпус ІМС - це частина конструкції, яка захищає кристал від зовнішнього впливу і забезпечує з’єднання ІМС із зовнішніми електричними колами за допомогою виводів. Інтегральні мікросхеми упаковують в корпус. Типи і розміри корпусів ІМС є об`єктами державної стандартизації.

Мікрозбіркою називають мікроелектронні вироби, які складаються з елементів, компонентів, ІМС та інших електрорадіоелементів, з’єднаних між собою певним способом для виконання певної функції, і розробляються конструкторами конкретної радіоелектронної апаратури як спеціалізовані ІМС з метою покращення їх показників мініатюризації. З мікрозбірок компонують мікроблоки.

Мікроблок - мікроелектронний виріб, який, крім мікрозбірок, може також мати ІМС та інші компоненти у різних поєднаннях.

Безкорпусна інтегральна схема - це ІМС широкого призначення, яку використовують при створенні мікрозбірок та мікроблоків. Така ІМС не має власного захисту від зовнішнього впливу. Повний захист такої схеми забезпечується корпусом пристрою, в який ця ІМС вмонтована.

Серія ІМС - сукупність типів ІМС, які виконують різні функції, але мають єдину конструктивно-технологічну, електричну будову і, в разі необхідності, інформаційну та програмну сумісність і призначені для сумісного застосування в радіоелектронній апаратурі. Усі ІМС однієї серії мають зазвичай однаковий корпус.

Оскільки ІМС так само як і електронні лам­пи або транзистори керують потужністю, яка поступає від зовнішнього джерела живлення в навантаження, тобто є активними елементами радіоелектронної апаратури, вони належать до електронних приладів. Інтегральні схеми являють собою конструктивно одне ціле, виконують певну функцію і повинні задовольняти певні вимоги при випробуваннях, постачанні та експлуатації. Однак порівняно з дискретними електронними лампами, напівпровідниковими діодами та транзисторами ІМС є якісноновим типом активних компонентів.

Основні особливості ІМС:

1. ІМС самостійно виконує закінчену, часто дуже складну функцію, тоді як дискретні електронні прилади виконують аналогічну функцію тільки в ансамбліз іншими компонентами.

2. Підвищення функціональної складності ІМС не супроводжується погіршенням якого-небудь з основних показників (надійності, вартості тощо). Більше того, всі ці показники покращуються.

3. В ІМС широко використовуються структури активних елементів для формування пасивних. Принцип протилежний підходу, притаманному дискретній транзисторній техніці, де активні елементи, особливо транзистори, найдорогші, і тому оптимізаціясхеми за інших умов досягається зменшенням кількості активних компонентів. В ІМС задається вартість не еле­мента, а кристала, тому доцільно розміщувати на кристалі якомога більше елементів з мінімальною площею. Мінімальну площу мають активні елементи (транзистори, діоди), а максимальну – пасивні (резистори, конденсатори).

4. Суміжні елемен­ти в ІМС знаходяться один від одного на відстані 50...100мкм. На таких малих відстанях різниця електрофізичних властивостей матеріалу малоймовірна. Крім того, одночасно в єдиному технологічному процесі формуються сотні тисяч і більше елементів. Отже, малоймовірним є значний розкид параме­трів у суміжних елементів. Параметри суміжних елементів взаємопов’язані - корельовані.

5. При створенні функціональних вузлів та блоків РЕА на базі ІМС на декілька порядків (порівняно з традиційними методами виробництва апаратури на дискретних компонентах) скорочується кількість технологічних операцій (особливо таких ненадійних і трудомістких, як складання і монтаж елементів). Крім того, низьконадійні з’єднання компонентів вилучаються і замінюються високонадійними з’єднаннями елементів методом металізації.

6. В ІМС формуються деякі типи елементів, які не мають дискретних аналогів (багатоемітерні транзистори, елементи з інжекційним живленням, прилади із зарядовим зв‘язком тощо.) Їх використання відкриває додаткові схемотехнічні та технологічні можливості для побудови мікроелектронної апаратури з кращими показниками надійності, габаритних розмірів, швидкодії і т. ін.

6.2 Класифікація інтегральних мікросхем

Інтегральні мікросхеми поділяють за технологією виготовлення, ступенем інтеграції, функціональним призначенням. За принципами будови та технологією виготовлення ІМС поділяють на такі основні типи: напівпровідникові, плівкові, гібридні, суміщені.

Напівпровідниковоюназивають ІМС, яка має один кристал напівпровідника, в об’ємі і на поверхні якого спеціальними техно­логічними методами сформовані всі елементи, міжелементні з’єднання і контактні площинки.

Як приклад на рис.6.1, а показано елементи напівпровідникової ІМС, які відповідають фрагменту електронної схеми, (рис.6.1, б).

Основними активними елементами напівпровідникових ІМС можуть бути БТ, або ПТ. Тому розрізняють біполярні та МДН-інтегральні схеми. Такі схеми складають основу сучасної мікроелектроніки.

Перевагами напівпровідникових ІМС є більш висока надійність (менше число контактних з’єднань), більша механічна міцність, що зумовлена меншими розмірами елементів (приблизно на порядок), менша собівартість завдяки ефективному використанню переваг групової технології.

Напівпровідникові IMC (особливо цифрові) з БТ вирізняються високою швидкодією, а з МДН-транзисторами – високою щільністю упакування, мінімальною потужністю споживання та низькою вартістю виготовлення. Аналогові ІМС з ПТ мають великий вхідний опір (більше 10⁹ Ом).

Виробництво напівпровідникових IMC вимагає особливих виробничих приміщень, складного обладнання, строгого виконання технологічних операцій. Тому виготовлення таких ІМС стає економічно доцільним лише при масовому виробництві (мільйони штук в рік на одному комплекті обладнання). Через це за напівпровідниковою технологією виготовляють цифрові ІМС та IMC для реалізації стандартних аналогових функцій, а також високонадійні мікросхеми для побудови радіоелектронної апаратури з найвищою щільністю упакування.

Плівкова ІМС - це мікросхема, елементи та міжелементні з’єднання якої виконано за до­помогою плівок необхідної форми з різними електрофізичними властивостями на поверхні діелектричної підкладки або діелектричної плівки. Залежно від способу формування плівок і відповідно їхніх товщин розрізняють тонкоплівкові ІМС (товщина плівок 1...2 мкм) та товстоплівкові ІМС (товщина плівок 10...20мкм і більше). Плівкова технологія не дозволяє одержувати активні елементи із задовільни­ми параметрами. Суто плівкові схеми є пасивними IMC (зазвичай - це переважно резистивні подільники напруги, набір резисторів та конденсаторів, резистивно-емнісні схеми). Плівкові інтегральні елементи найбільш часто використовують разом з мініатюрними дискретними електро-радіоелементами - компонентами.

Тонкоплівкові ІМС мають ряд переваг перед товстоплівковими: без пригонки можна одержати більш вузькі допуски на номінали елементів (резисторів і конденсаторів), досягається більш висока щільність упакування елементів на підкладці.

У дуже складних аналогових схемах з малими допусками на номінали елементів, де необхідна надвисока стабільність резисторів, переважно використовують тонкоплівкові ІМС. Слід зауважити, що при обмеженій кількості виготовлення плівкових IMC недоцільно налагождувати їх виробництво, яке потребує великих капітальних затрат. У цьому випадку перевагу віддають товстоплівковій технології.

Товстоплівкова технологія має такі переваги перед тонкоплівковими: меншу вартість при розробці та виготовлені в дрібносерійному виробництві, потребує значно менших капітальних затрат при організації виробництва (простіше обладнання, менш жорсткі вимоги до виробничих приміщень), забезпечує більшу механічну міцність, високу волого-, корозійну та теплову стійкість, а також менші паразитні ємності та взаємовплив елементів.

Гібридною ІМС називають ІМС, якамає діелектричну основу, пасивні елементи (R, С, L) на її поверхні формують у вигля­ді одношарових або багатошарових плівкових структур, з’єднаних нерозривними плівковими провідниками, а напівпровідникові при­лади (активні елементи), в тому числі безкорпусні ІМС (кристали) та інші компоненти (мініатюрні конденсатори, резистори й індуктивності великих но­міналів) розміщені на основі у вигляді дискретних навісних де­талей. Структуру такої ІМС, що відповідає фрагменту електронної схеми (рис. 6.1, б), показано на рис. 6.2. До гібридних належать також мікросхеми, які складаються з кількох кристалів, з’єднаних між собою і змонтованих в одному корпусі (багатокристальні ІМС).

Гібридні ІМС поступаються напівпровідниковим за надійністю, щільністю упакування та собівартістю, але мають в ряді випадків особливі схемотехнічні переваги завдяки широкій номенклатурі навісних компонентів (транзисторів, мікроіндуктивностей, конденсаторів великої ємності та ін.).

Гібридна технологія дуже гнучка. Вона дозволяє порівняно швидко створювати електронні пристої, що виконують досить складні функції. Комплект обладнання для виготовлення гібридних ІМС дешевше, ніж для виготовлення напівпровідникових ІМС, а сам технологічний процес набагато простіший, тому освоєння гібридної технології посильне практично для будь-якого радіоелектронного підприємства.

Перевагою гібридної технології є також більш високий відсоток виходу придатних ІМС (60...80 % порівняно з 5...30% для напівпровідникових). Завдяки малим паразитним ємностям та надійну ізоляцію між елементами і компонентами гібридна IMC має кращі електричні властивості. За такі схеми найчастіше створюють аналогову апаратуру, в якій використовують конденсатори великої ємності, високоомні, високостабільні або прецизійні резистори.

У суміщених ІМС активні елементи виконані в поверхневому шарі напівпровідникового кристала (як в напівпровідниковій ІМС), а пасивні нанесені за допомогою плівок на попередньо ізольовану поверхню того ж кристалу (рис. 6.3).

Таку технологію використовують для створення ІМС з високими номіналами і високою стабільністю опорів та ємностей, що легше забезпечити плівковими елементами, ніж напівпровідниками.

При виготовлені всіх типів ІМС міжз’єднання елементів виконують за допомогою тонких металевих смужок, які напиляються або наносяться на поверхню підклади і в потрібних місцях контактують з елементами. Процес нанесення цих з’єднувальних смужок називають металізацією, а сам “рисунок” міжз’єднань – металевим розведенням.

За характером виконуваних функцій ІМС поділяють на дві категорії: аналогові та цифрові.

Аналогові ІМС (АІС) виконують функції перетворення та обробки електричних сигналів, які змінюються за законом неперервної функції. Їх застосовують як підсилювачі, генератори гар­монічних сигналів, детектори, стабілізатори напруги, фільтри тощо.

Цифрові ІМС ( ЦІС) (призначені для обробки та перетворення електри­чних сигналів, що змінюються за законом дискретної функції. Активні елементи в таких ІМС працюють у ключовому режимі і забезпечують два стани схем: “Відкрито” і “Закрито” (насичення та відсікання, логічний 0, логічна 1).

Кількісно рівень розвитку інтегральної техніки та складності ІМС визначають показником, який називається ступенем інтеграції (К). Він враховує сумарне число елементів і компонентів N, які знаходять­ся в ІМС і визначається за формулою К = lgN. При цьому ІМС із числом елементів близько 10 - це мікросхеми першого ступеня інтеграції, із числом від 11...100 – другого ступеня, з числом елементів 101...1000, 1001...10000, 10001...100000 – мікросхеми третього, четвертого і п’ятого ступенів інтеграції відповідно. При обчисленні К його заокруглюють до найближчого більшого ці­лого числа.

Широко вживають також терміни: мала інтегральна схема (МІС), середня (СІС), велика (ВІС), надвелика (НВІС).

Мала інтегральна схема має до 100 елементів включно. До СІС належать цифрові ІМС із число елементів 101 ... 1000 включно і аналогові ІМС із числом елементів 101...500 включно.

Більшість аналогових ІМС відносяться до МІС та СІС. Виготовляють гібридні ВІС та НВІС.

Цифрові ІМС, які містять логічні елементи, тригери і прості цифрові пристрої, являють собою малі та середні мікросхеми, а складні обчислювальні комплекти (мікропроцесори) та запам’ятовувальні пристрої - великі та надвеликі ІМС.

Досягнення мініатюризації ІМС оцінюють за щільністю упакування. Її визначають відношенням сумарної кількості елементів ІМС та (чи) елементів, які є в складі компонентів, до об’єму ІМС.

6.3 Аналогові інтегральні мікросхеми

6.3.1 Основні типи АІС

В АІС сигнал на виході є неперервною функцією сигналу, що діє на вході. Іх відносять до лінійних схем. Аналогові інтегральні схеми за виконуваними функціями поділяють на такі підгрупи: підсилювачі,генератори, детектори, комутатори, модулятори, перетворювачі, вторинні джерела живлення, пристрої порівняння, фільтри, формувачі, багатофункціональні ІМС. Такі схеми широко використовують в апаратурі зв’язку, телебачення та телекерування, інформаційнодіагностичних системах, аналогових обчислювальних машинах, магнітофонах, радіоприймачах, вимірювальних приладах, системах контролю тощо.

Завдяки удосконаленню технології, схемотехніки та методів проектування номенклатура АІС постійно розширюється, помітно поліпшуються їхні якості. Аналогові ІМС універсальні і багатофункціональні. Це дозволяє виготовляти їх в масовому виробництві. Високоспеціалізовані ІМС мають обмежену кількість споживачів, а тому – значну вартість.

Підсилювальні ІМС складають численну та універсальну підгруппу АІС. Особливістю таких ІС є: переважне використання п-р-п структур, заміна високоомних резисторів активними транзисторними, яким притаманні великі динамічні внутрішні опори, відмова від використання міжкаскадних роздільних конденсаторів, широке використання складених транзисторів, керованих джерелами струму, параметричних стабілізаторів струму, комплементарних стуктур, диференціальних транзисторних пар, багатоелектродних транзисторів , різних термостабілізуючих кіл і т. ін.

Інтегральні підсилювачі, які випускаються промисловістю, суттєво відрізняються від подібних функціональних вузлів, побудованих на дискретних компонентах, за основним призначенням, функціональними можливостями, схемотехнічній складності та ін.

Аналогові пристрої відрізняються від цифрових більшою різноманітністю сигналів, виконуваних функцій, призначень, а також внутрішньою структурою. Тому уніфікація інтегральних функціональних компонентів для аналогових пристроїв можлива тільки на основі багатофункціональних вузлів.

Основними аналоговими функціями є: підсилення, генерування, порівняння, обмеження, змішування та частотна селекція сигналів, додавання, віднімання, диференціювання, інтегрування сигналів тощо. Кожна із цих функцій виконується відповідним класом аналогових ІМС. Такі схеми відносять до спеціалізованих, а тому не мають масового споживача, що робить їх економічно невигідними при використанні напівпровідникової технології. Для вирішення цієї суперечності в інтегральній схемотехніці були створені і знайшли широке використання універсальні та багатофункціональні ІМС: однокаскадні багатоцільові підсилювачі; диференціальні підсилювачі (ДП); операційні підсилювачі( ОП ); АІС широкого вжитку;

В аналогових ІМС, особливо в напівпровідникових, між окремими підсилювальними каскадами відсутні роздільні конденсатори, тому для з’єднання окремих каскадів підсилення використовується лише гальванічний (омічний) зв’язок (зв’язок за постійним струмом). Таким чином, розширюється межа частотної характеристики підсилювача до f_н = 0. Тобто АІС є підсилювачами постійного струму. В той же час омічний зв’язок між каскадами обумовлює необхідність додаткових схемних рішень. Найбільш вагомими є задачі стабілізації режиму підсилювального каскаду та зсуву рівнів напруг.

6.3.2 Схеми стабілізації режиму А ІС

Гальванічний зв'язок в АІС дозволяє підсилювати та передавати постійну складову ЕІС та фіксувати значення параметрів, що повільно змінюються (температура тиск та ін.), Це важлива позитивна якість. Але одночасно виникають проблеми, обумовлені формуванням паразитних (небажаних) низькочастотних електричних сигналів, поява яких спричинена температурною нестабільністю положення робочої точки напівпровідникових компонентів, старінням елементів ІМС ( зміною їх параметрів з часом), нестабільністю напруги джерела живлення та ін. Через відсутність роздільних конденсаторів повільна зміна напруги підсилюється наступними каскадами та виділяється на виході

Зміни вихідної напруги, що не пов’язані зі вхідними інформаційним сигналом, а зумовлені внутрішніми процесами в підсилювачі, називають дрейфом нуля підсилювача. Напруга дрейфу на виході таких пристрїв може виявитись одного порядку з напругою корисного сигналу. Це викликає недопустимі інформаційні спотворення

Найбільший вплив на зміщення робочої точки чинить температурна нестабільність параметрів елементів ІМС.

У дискретних схемах та у гібридних ІМС для забезпечення режиму спокою широко використовуються схемні елементи термо-стабілізації, зокрема емітерної та колекторної термостабілізацій. Це досягається введенням термозалежних кіл зміщення чи створенням місцевих кіл негативного зворотного зв’язку, що приводить до зменшення коефіцієнту підсилення корисного ЕІС. Щоб виключити цей небажаний вплив, резистори схем негативного зворотного зв’язку шунтуються конденсаторами великої ємності, що виключає вплив цих кіл на передачу інформаційного сигналу.

У напівпровідникових ІМС застосування елементів негативного зворотного зв’язку є недоцільним, оскільки формування конденсаторів великих ємностей практично неможливе, а тому для стабілізації АІС використовують спеціальні схемні елементи.

Під впливом зміни температури зміщуються статичні характеристики транзистора (див. рис.4.11). З підвищенням температури змінюється колекторний (вихідний) струм I_С..

Таким чином, для стабілизації режиму АІС необхідно передбачати генератор стабільного струму, який забезпечить незмінний струм в навантаженні при зміні його опору або вхідної напруги. Нагадаємо, що генератор струму характеризується великим внутрішнім опором, який значно перевищує опір навантаження (R_г >> R_н).

У напівпровідникових ІМС формування резисторів з великим опором недоцільне (планарні резистори займають велику площу). Тому використовують параметричні методи температурної стабілізації положення робочої точки – параметричні стабілізатори струму.

Принципова схема такого стабілізатора зображена на рис. 6.4.

Показані напруги та струми зв’язані таким рівнянням:

E₀ = U₁ + I_E1R1 = U_BE2 + R₂I_Е2.

Знехтуємо малим струмом I_B2, тоді I_E1 = I_C1 і I_E2 = I₀.

Якщо опори резисторів R₁=R₂ однакові, а параметри та характеристики транзисторів VT₁ та VT₂ співпадають, що досягається в ІМС, то I₀ = I₁. Тобто струм у навантаженні повторює вхідний струм I_C1. Таку схему називають “струмовим дзеркалом”.

Відносна нестабільність струмів транзисторів VT1 і VT2 однакова.

Таким чином, щоб стабілізувати струм I₀ (I_C2), необхідно з достатньою точністю стабілізувати струм I_C1 .

Вхідний струм I_C1 = (E_C - E₀)/R₀. За умови E_C>>E₀ струм I_C1визначається зовнішніми параметрами E_C та R₀. Отже, заданий режим транзистора VT1 і його колекторний струм I_C1 (а відтак і струм I₀) можна забезпечити добиранням зовнішніх елементів: резистора R₀ і напруги джерела живлення. Визначають їх з урахуванням допустимих значень відносної зміни температури ΔT /T, опору резистора ΔR₀ /R₀, струму навантаження ΔI₀ /I₀ та напруги джерела живлення E_C /E_C .

Якщо R₁ ≠ R₂,то і I_E1≠I_E2, але зберігається рівняння U₁=U_BЕ2іI_E1R₁ =I_E2R₂. Звідки I₀=I₁(R₁R₂).

У даному випадку струм може наслідувати струм I_C1 як в “збільшеному” так і в “зменшеному” масштабі залежно від співвідношення опорів. Цей масштаб не перевищує декількох одиниць.

Розглянута схема широко використовується для стабілізації режиму диференціальних підсилювачів як в окремому виконанні так і в складі операційних підсилювачів.

Генератори стабільного струму широко використовуються як динамічне навантаження в ДП та ОП, що забезпечує суттєве підвищення коефіцієнтів підсилення за напругою.

6.3.3 Схеми зсуву рівнів напруг

Крім розглянутої нижче проблеми стабілізації режиму АІС, в таких ІС необхідно вирішувати ще одну задачу, а саме: узгодження послідовних каскадів з гальванічним міжкаскадним зв’язком за рівнями напруги. Завдяки омічному зв’язку на базу транзистора кожного наступного каскаду поступає не тільки корисний інформаційний сигнал, але й постійна складова напруги з колектора попереднього каскаду. Потенціал колектора відносно загальної точки схеми становить одиниці, десятки вольт, а потенціал бази наступного каскаду десь 0.4…0.9 В, за умови U_E = 0. Якщо базу безпосередньо з`єднати з колектором, то для забезпечення необхідної величини U_ВЕ, необхідно підвищити потенціал емітера.. Це досягається вмиканням в його коло резистора, що зменшує коефіцієнт передачі інформаційного сигналу.

Для того, щоб усунути постійну складову на вході наступного каскаду, але по можливості без втрат передати корисний сигнал, використовують спеціальні схеми зсуву рівнів напруг (Рис.6.5). Такі схеми забезпечують стабільну роботу каскадів, не вносячи помилок в постійну складову сигналу зі зміною напруги живлення і температури навколишнього середовища. Найчастіше схеми зміщення рівнів будують на основі генераторів стабільного струму.

Найпростішою схемою зсуву рівнів напруг є емиітерний повторювач. Він є основою інших більш складних схем.

Розглянемо процес зсуву рівнів напруг. База VT 1 з`єднана з виходом попереднього каскаду (з колектором ), тобто на вході схеми зсуву ( на базі VT1) діє постійна складова напруги U₁ разом зі змінним інформаційним сигналом U_ВХ. При цьому необхідно забезпечити потенціал емітера VT1 нижчим від потенціалу бази на незначну величину U_BE1. Коефіцієнт передачі емітерного повторювача за напругою G_U = 1, а відтак на емітері виділяється постійна складова U₁ - U_BE1 та майже без змін ЕІС.

За відсутності ЕІС ( в початковому стані) на виході ОП ( на виході схеми зсуву) – на колекторі VT2 постійна складова повинна буди відсутня (за симетричного живлення ОП), тобто емітер VT1не дової в схему зсуву вмикають діод VD1, на якому спадає пряма напруга U_F = U_BE1. За необхідності включають m діодів. Але це ще недостатньо, щоб повністю компенсувати небажану постійну складову, а тому вмикають транзистори VT2, VT3, резистори R1, R2 та R4, які утворюють генератор стабільного струму I₀, що забезпечує необхідний спад напруги на резисторі R3.

Співвідношення між вхідним U₁ та вихідним U₂ постійними рівнями

U₁ - U₂ = (m+1) U_F + I₀R₃

Змінюючи значення m, I₀ та R3 можна забезпечити будь-який зсув рівня напруги. При цьому змінний інформаційний сигнал передається майже без спотворень.

Такі схеми широко використовують у багатокаскадних інтегральних підсилювачах, зокрема в ОП.

6.4 Однокаскадні багатоцільові підсилювачі

Однокаскадні підсилювачі в інтегральному виконанні являють собою монолітну схему, яка містить в собі всі необхідні елементи (транзистори, діоди, резистори і ін.) в інтегральному виконанні та підсилює електричні сигнали без вмикання додаткових елементів. Такі підсилювачі подібні до багатоцільових пристроїв, оскільки, змінюючи в них комутацію зовнішніх виводів та способи приєднання джерела сигналів і навантаження, можна одержати підсилювачі з різними характеристиками та різними схемами вмикання (СЕ, СБ, СК). В окремих випадках інтегральні підсилювачі при розробці конкретних вузлів доповнюють навісними елементами.

На рис. 6.6, а показана принципова схема, а на рис. 6.6, б – схема вмикання підсилювача низької частоти серії 119 (мікросхема 119УН1). При такому вмиканні вхідний інформаційний сигнал подається на вхід 4, а знімається з виходів 5 та 11. На виводі 5, як і в схемі із СЕ сигнал змінює полярність. Це інвертуючий вихід, що відповідно позначається на схемі вмикання (кільце на рис.6.6, б)..

Опором навантаження колекторного кола змінному струму є резистор R3, тому що приєднаний до виводу12 і корпусу навісний конденсатор ємністю 15,0 мкФ шунтує за змінним струмом резистор R₂. Таке вмикання дозволяє забезпечити термостабілізацію робочої точки дією негативного зворотного зв’язку за напругою для постійного струму (колекторна стабілізація). Зміна температури, а отже і струму колектора відбувається повільно. Конденсатор не шунтує резистор R2 і на ньому формується додатковий спад напруги, викликаний збільшенням колекторного струму при підвищенні температури. Таке схемне вмикання протидіє дрейфу робочої точки, обумовлене зміною колекторного струму. Так само резистор R5 з конденсатором великої ємності 15,0 мкФ утворює ланцюжок емітерної термостабілізації завдяки негативному зворотному зв’язку за постійним струмом.

На виході 11 формується неінвертований сигнал, як і в схемі із СК. При вмиканні АІС, показаному на рис.6.4, б, вихідні сигнали формуються одночасно на двох виходах 5 і 11. Тобто створена можливість одержувати протифазні (парофазні) сигнали.

Відповідним вмиканням зовнішніх навісних конденсаторів можна забезпечити побудову підсилювача із СЕ, СБ або із СК.

Наведений приклад ілюструє принципово новий підхід проектування радіоелектронної апаратури із застосуванням ІМС. У дано­му випадку нові вузли та блоки утворюються за допомогою готових функціональних вузлів. Таким чином, реалізується функціонально- вузловий метод проектування Параметри конкретної апаратури досягаються відповідним вмиканням виводів ІМС та розрахунком навісних компонентів.

Такий самий підхід зберігається при використанні більш складних АІС.

6.5 Диференціальні підсилювачі

Диференціальні підсилювачі (ДП) належать до балансних (мостових) схем підсилювачів постійного струму. Якість ДП здебільшого визначається ідентичністю параметрів пари транзисторів. У дискретній транзисторній схемотехніці це виконати важко, а тому такі схеми використовують рідко. Інтегральна технологія дозволяє сформувати пари транзисторів з майже ідентичними параметрами (дві структури розташовані поруч на одній підкладці і формуються одночасно за однакових умов в єдиному технологічному циклі).

Схеми ДП були розроблені і широко використовувалися ще на етапі електровакуумної електроніки. Їх впровадження було одним з ефективних напрямів побудови підсилювачів постійного струму, для підсилення ЕІС смуга частот яких має нижню межу f_н = 0.

Підсилювачі постійного струму широко використовуються в електронних аналогових обчислювальних машинах і вимірювальній техніці, медицині, ядерній фізиці та в інших областях техніки.

Диференціальні підсилювачі будують за мостовими схемами, що дозволяє забезпечити суттєве зменшення дрейфу нуля.

Типова принципова схема та схема вмикання диференціального підсилювача в інтегральному виконанні показана на рис. 6.7. Це мікросхема К118УД1: напівпровідниковий однокаскадний диференцальний підсилювач постійного струму серії 118. По суті така схема являє собою міст, елементами якого є резистори R1, R5 і внутрішні опори транзисторів VT1 та VT4 (диференціальна пара).

До однієї діагоналі моста (виводи 7 і 14) підводиться напруга одного або двох джерел живлення (+Е_С і –Е_Е), а до другої (колек тори VT1 і VT4) вмикається навантаження (виводи 5 і 9).

Якість роботи такої схеми визначається симетрією обох пліч, тобто ідентичністю параметрів транзисторів VT1 та VT4, рівністю опорів R1 i R5. У початковому стані (до появи інформаційного сигналу) ДП повинен бути збалансований, а значить напруга на навантаженні - дорівнювати нулю (U_н = |U_С1 – U_C2| = 0). При дії різних дестабілізуючих факторів (наприклад, підвищенні + Е_С) одночасно зміниться напруга колекторів, а різницева напруга колекторів, тобто напруга на навантаженні, залишиться незмінною (U_н » 0).

Для стабілізації режиму роботи в схемі використовується генератор стабільного струму на транзисторі VT2, функціонування якого описано в розділі 6.3.2. Коло зміщення побудоване на резисторах R3, R4, R6 та транзисторі VT3 у діодному вмиканні. Це забезпечує режим роботи генератора стабільного струму і температурну стабілізацію мікросхеми.

При вмиканні навантаження між колекторами транзиторів VT1 і VT4 створюють симетричний вихід, а при зніманні напруги вихідного сигналу з колектора одного з транзисторів відносно загального контакту («землі») – несиметричний вихід. Вихідний інформаційний сигнал може подаватися: на один із входів (3 або 10) відносно заземленої точки (несиметричний вхід), або ж одночасно на два входи (симетричний вхід).

При подачі інформаційного сигналу на симетричні входи на базах вхідних транзисторів VT1 і VT4 діють напруги протилежних знаків (ΔU_B1 = - ΔU_B2). Такі сигнали називають диференціальними. Ідеальний ДП реагує тільки на диференціальний сигнал, звідси – назва цього типу підсилювачів.

Важливою є одна із особливостей ДП, яка обумовила їх широке використання. Це: значне підсилення інформаційного (диференціального) сигналу та значне ослаблення синфазного сигналу завади.. Синфазні вхідні напруги U_СІ та U_С2– це напруги між кожним з входів ІМС та спільним виводом, амплітуди та фази яких збігаються Коли джерело інформаційних сигналів (датчик) вмикається до симетричного входу ДП, діють протифазні або різнополярні сигнали.

Напруга завади діє синфазно, тобто або підвищує, або зменшує одночасно напругу на обох входах 3 і 10. Це викликає відповідні синфазні зміни напруг на колекторах. При цьому у випадку ідеального джерела струму сигнал на виході ДП відсутній. У реальних схемах під дією синфазного сигналу на виході існує синфазна напруга розбалансування ΔЕ_сф, яка додається до корисного сигналу, зумовлюючи сигнал помилки. Коефіцієнт підсилення синфазного сигналу A_UC значно менший за A_U. Диференціальний підсилювач тим якісніший, чим меншу різницю вихідних сигналів він може розрізнити на фоні великого синфазного сигналу, зазвичай створеного дією дестабілізуючих факторів. Ця важлива властивість ДП оцінюється коефіцієнтом ослаблення синфазної складової (в децибелах):

Диференціальні підсилювачі належать до типових схем універсального призначення. Вхідні сигнали можна подавати не лише на диференціальні входи 3 і 10, але і на входи генератора постійного струму 2 і 12. Це також може бути або симетричний, або несиметричний вхід.

Багато входів і виходів забезпечують широкі можливості введення і комбінування негативного та позитивного зворотного зв`язків для одержання якісних показників ДП та побудови різних функціональних пристроїв.

Висока завадостійкість і термостабільність диференціальних підсилювачів зумовили їх широке використання як вхідних каскадів, зокрема в операційних підсилювачах.

У технічній літературі із схемотехники, в науково-технічних журналах, довідниках представлено великий вибір диференціальних підсилювачів зі схемами вмикання та параметрами зовнішніх елементів для побудови підсилювачів, генераторів, компараторів, змішувачів частоти і ін. Вони можуть бути ефективно використані в курсовому, дипломному проектуванні та в інженерній діяльності для реалізації сучасного функціонально-вузлового методу проектування ЕС.

6.6 Операційні підсилювачі

6.6.1 Особливості ОП

Основне призначення ОП – побудова за допомогою зовнішніх навісних елементів схем із фіксованим коефіцієнтом підсилення і точно синтезованою передавальною функцією. Їх використовують для побудови широкої гами різновидів пристроїв. За допомогою стандартного ОП загального призначення можна створити приблизно 100…150 функціональних пристроїв.

Схемотехніка ОП була відома ще до появи лінійних ІМС. У класичній електроніці до класу ОП відносили багатокаскадні підсилювачі постійного струму зі зворотним зв’язком. Їх використовували в аналоговій обчислювальній техніці для виконання операцій алгебраїчного додавання, віднімання, множення, ділення, диференціювання, логарифмування тощо. Це і зумовило їхню назву - операційні (розв’язувальні) підсилювачі.

В інтегральній схемотехніці ОП - це підсилювач постійного струму, який характеризується великим вхідним, низьким вихідним опорами і дуже високим коефіцієнтом підсилення за напругою. Якщо уявити ОП ідеальною моделлю, то він повинен мати такі властивості: R_ВХ ®¥, R_ВИХ ®0 і G_U ®¥. Успіхи планарної технології зумовили появу серійних пар­тій ОП у вигляді інтегральної мікросхеми, що дозволило значно удосконалити їхні технічні й експлуатаційні показники. Такі ОП тепер використовуються не лише для виконання математичних операцій, а й для підси­лення, перетворення, формування і обробки електричних сигналів.

Зазвичай ОП складаєтся з трьох каскадів: вхідного, побудованого, як правило, за схемою диференціального підсилювача, проміжного підсилювача напруги та вихідного каскаду, побудованого за схемою із СК з додатковими елементами для покращання параметрів ОП.

Принцип побудови та функціювання складових елементів ОП розглянемо на прикладі найпростішої схеми, яка використовувалась в перших зразках інтегральних ОП. Зокрема на прикладі інтегральної мікросхеми 140УД1 (А, Б) – напівпровідникової ІМС серії 140. Принципова схема такого ОП показана на рис. 6.8.

Як вхідний каскад використовується один з видів диференціального підсилювача на транзисторах VT1 та VT2 з джерелом стабільного струму на транзисторах VT3 та VT6 (струмовим дзеркалом). Така стабалазація розглядалась в розділі 6. 3. 2.

Другий (проміжний) каскад ОП виконаний на транзисторах VT4 та VT5 також за схемою ДП, але з несиметричним виходом. Він виконує дві функції: підсилення напруги та перетворення двофазного (симетричного) сигналу, що формується на колекторах транзисторів VT1 та VT2 в однофазний, що формується на колекторі транзистора VT5.

В другому каскаді джерело стабільного струму в колі емітерів транзисторів відсутнє, оскільки на його входи поступає вже підсилений інформаційний сигнал, в якому синфазна складова практично заглушається першим каскадом. При обробці підсилених ЕІС нестабільність каскадів уже мало впливає та якість передачі

При використанні ДП максимальний коефіцієнт підсилення за напругою одержують при підключенні навантаження до симетричного виходу. Операційні підсилювачі мають однофазний вихід. Щоб забезпечити перехід від симетричного виходу до несиметричного без втрати коефіцієнта підсилення за напругою транзистор VT4 вмикають за схемою із СК. Розглянемо як відбувається передача сигналів.

Припустимо, що на симетричні входи ОП подається імпульсний сигнал, на вході 10 напруга збільшується, на вході 9 – зменшується. На рис.6.8 це зображається позитивним та негативним імпульсами. У результаті на колекторах транзисторів VT1та VT4 сформуються інвертовані імпульси. З колектора транзистора VT2 імпульс позитивної полярності подається на базу транзистора VT4, ввімкнутого за схемою із СК (емітерний повторювач). На об’єднаних емітерах транзисторів VT4 та VT5 формується позитивний імпульс. Потенціал емітера транзистора VT5 зростає, а напруга U_BE цього транзистора зменшується, він закривається, струм колектора зменшується, зумовлюючи підвищення напруги на колекторі (U_C = E_C – I_CR_C). Одночасно негативний імпульс з колектора транзистора VT1 подається на базу транзистора VT5, що також спричиняє зменшення колекторного струму. Таким чином, на колекторі транзистора VT5 формується однофазний сигнал, амплітуда якого пропорційна обом сигналам симетричного виходу першого каскаду.

Вихідний каскад ОП, виконаний на транзисторі VT9 за схемою СК. Транзистори VT7 та VT8 забезпечують зсув рівня напруг (розд 6.3.3).

Крім того, транзистор VT7 виконує ще одну функцію. Його вмикають в коло позитивного зворотного зв’язку вихідного каскаду – емітерного повторювача на транзисторі VT9, що дозволяє підвищити вхідний опір вихідного каскаду, зменшити вихідний опір та підвищити коефіцієнт підсилення вихідного каскду до 5. Підсилювач 140УД1 забезпечує коефіцієнт підсилення за напругою в декілька тисяч в діапазоні частот до 5 МГц.

Таким чином, позитивний імпульс, що формується на колекторі транзистора VT5, підсилюється і без зміни полярності виділяється на виході 5. Сигнал такої полярності подавався на вхід 10, тому цей вхід називають неінвертувальним. На вхід 9 подавали сигнал протилежної полярності (відносно сигналу, одержаного на виході 5), тому цей вхід називають інвертувальним. На умовному графічному позначення ОП такий вхід позначають кільцем.

Залежно від схеми вмикання ОП до джерела інформаційних сигналів розрізняють: диференціальне, інвертувальне і неінвертувальне вмикання ОП. Диференціальне вмикання розглядалось в розділі 6.4 при аналізі диференціального підсилювача. Розглянемо особливості інвертувальної та неінвертувальної схем вмикання.

Для спрощення розрахунків і аналізу схем вмикання ОП використовують принцип віртуального замикання. Він не складний для засвоєння, але вимагає особливої уваги, тому що на ньому базується вся схемотехніка на ОП. В електротехніці коротке замикання створюється при поєднанні двох чи більше вузлів провідником з дуже малим опором. В результаті різниця потенціалів між ними зменшується до нуля, а струм зростає.

Дискретні лампові, транзисторні пристрої та аналогові ІМС на виході формують ЕІС, амплітуда яких не може перевищити значення напруги джерела живлення. Для ідеальної моделі ОП, коли G_U = ∞ можна вважати, що максимальна амплітуда сигналу на виході забезпечується вхідним сигналом, амплітуда якого зменшується до нуля, тобто на вході маємо «коротке замикання». В той же час, оскільки R_вх = ∞ вхідний струм ОП I_вх = 0. Це принципова відмінність від електротехнічного замикання.

Все це відповідає принципу віртуального замикання вхідних зажимів ОП (рис.6.9). При віртуальному замиканні, як і при звичайному замиканні, напруга між замкненими затискачами дорівнює нулю. Тобто, входи ОП якби заморочені. Але в даному випадку струм між віртуально замкненими затискачами не протікає. Для струму віртуальне замикання еквівалентне розриву кола. З урахуванням цього проведемо аналіз згаданих вище схем вмикання ОП.

6.6.2 Інвертувальна схема вмикання ОП

Така схема показана нарис. 6.10. Використовуючи принцип віртуального замикання, знаходимо, що I_вх = (U_вх - 0) /Z, а вихідна напруга U_вих = -I_вхZ_зв – 0. Звідки коефіцієнт передачі напруги ОП зі зворотнім зв’язком визначається тільки співвідношенням зовнішніх елементів зворотного зв’язку:

G_UЗ = U_вих/U_вх = -Z_зв/Z .

Таким чином, коефіцієнт передачі напруги ОП зі зворотним ом.

Але треба мати на увазі, що помилка такого визначення тим менша, чим ближче параметри ОП наближаються до ідеальної моделі. Загальний коефіцієнт підсилення типових ОП може досягати 100000 і більше, що дозволяє користуватися одержаним співвідношенням.

На рис .6.10 показані комплексні опори. Вибираючи відповідний тип опору (резистор, конденсатор, індуктивність або їх комбінацію) одержують необхідний функціональний вузол.

Для побудови масштабного пілсилювача використовують резистори (рис. 6.11.). Вихідна напруга

U_вих = - (R_зв/R₁)U_вх .

Тобто відбувається зміна масштабу електричної величини множенням вхідного сигналу на деякий сталий коефіцієнт (R_зв/R₁).

Інвертуальне вмикання ширико використовують для побудови суматорів. Для цього до входу підключають декілька джерел інформаційних сигналів. Завдяки різним співвідношенням опорів резисторів встановлюється необхідний ваговий коефіцієнт,який визначає величину відповідної складової у формуванні вихідного сигналу.

В інтеграторі напруги, схема якого показана на рис. 6.12 активний опір зворотного зв’язку замінений реактивним елементом – конденсатором Враховуючи параметри ідеальної моделі ОП, струм, що протікає через резистор R, знаходять за формулою:

I_R = U_вх/R = I_C

Напругу на виході визначають напругою на конденсаторі

Якщо до входу ОП прикласти напругу у вигляді стрибка із сталою амплітудою U_вх, то

U_вих = -U_вхt/RC,

де RC - стала часу інтегратора.

Інвертувальний підсилювач реагує на низькочастотні вхідні інформаційні сигнали аж до частоти f_н = 0, тобто на сигнали постійного струму. Амплітуда і форма вихідного сигналу залежать від амплітуди вхідного сигналу U_вх та співвідношення тривалості вхідного імпульса і сталої часу інтегратора. Тому інтегратор можна ефективно використовувати як низькочастотний функціональний вузол оптимальної обробки сигналів, зокрема для побудови генераторів пилоподібної напруги. Якість виконання операції інтегрування тим вища, чим більша стала часу порівняно з тривалістю вхідного сигналу.

Схема диференціатора показана на рис. 6.13. В такому присторї елемент Z інвертувальної схеми вмикання (рис. 6.6) являє собою реактивний компонент – конденсатор. Враховуючи особливості ідеальної моделі ОП, струм, що протікає через конденсатор, можна визначити за формулою:

I_C = C(dU_вх/dt) = I_R .

Тоді напруга на виході

U_вих = -I_RR = -RC(dU_вх/dt),

де RC = τ- стала часу.

Точніть виконання операції диференціювання визначається співвідношенням тривалості вхідного сигналу τ_с та сталої часу.

Якщо τ_с >>τ, то при подачі на вхід прямокутного імпульсу тривалістю τ_с на виході одержимо продиференційований сигнал (дуже короткий негативний та позитивний стрибки напруги, (рис. 6.13). Полярність імпульсів показана з урахуванням інвертувального вмикання ОП.

6.6.3 Неінвертувальна схема вмикання ОП

Така схема вмикання ОП показана на рис. 6.14. Напруга зворотного зв’язку з виходу подається на інвертувальний вхід підсилювача, а вхідний сигнал - на неінвертувальний вхід. За умов ідеального ОП коефіцієнт передачі за напругою визначають співвідношенням між вихідною напругою U_вих і напругою зворотного зв’язку U_з.з, яка формується на опорі Z:

Враховуючи принцип віртуального замикання (рис. 6.9), одержують U_зв = U_вх, а відтак:

При неінвертувальному вмиканні ОП коефіцієнт передачі за напругою так само як і при інвертувальному, визначають зовнішніми навісними елементами.

Якщо Z_з.з = 0, то G_U = 1. Це дозволяє побудувати повторювач напруги U_вих = U_вх. Вихідна напруга повторює вхідну за фазою і амплітудою. Схема повторювача показана на рис. 6.15. Вона відрізняється дуже високим вхідним опором та малим вихідним опором. Останнє дозволяє підключати до ОП навантаження з опором 0,3…1 кОм.

Повторювачі напруг широко застосовуються як вхідні та вихідні вузли радіоелектронних пристроїв.

Промисловість випускає багато типів ОП.Операційні підсилювачі 140УД6; 140УД14 побудовані за двокаскадними схемами з використанням супербета транзисторів. Завдяки таким транзисторам ці ОП мають вхідний опір 2·10³ і 30·10³ Ом при дуже малих струмах (30 і 2 мкА) відповідно. Коефіцієнт підсилення згаданих ОП G_U = (50…70)·10³. У схемі ОП типу 544УД1 вхідний опір підвищений до 100 МОм завдяки використанню у вхідному диференціальному каскаді ПТ.

Розроблені також інтегральні прецизійні ОП з високою стабільністю характеристик, малими шумами і низьким рівнем дрейфу нуля. До таких схем належить ОП 153УД5.

6.6.4 Імпульсний режим ОП

При використанні ОП в аналогових (лінійних ) пристроях (підсилювачі та ін. ), вхідний сигнал повинен змінюватись лише в межах нахиленої ділянки передавальної характеристики ОП (. рис. 6.16), коли вихідна напруга пропорційно залежить від вхідної. В імпульсному режимі роботи рівні вхідного сигналу перевищують значення, які відповідають лінійній області передавальної характеристики, а тому вихідна напруга досягає U⁺_вих.mахабо U^-_вих.mах. Ці рівні вихідної напруги є сталими і майже дорівнюють напругам джерел живлення E та E ОП.

Горизонтальні ділянки кривих передавальної характеристики ОП відповідають режиму повністю закритого (режим відсікання) або повністю відкритого (режим насичення) транзистора вихідного каскаду (найчастіше емітерний повторювач) ОП.

Таким чином, ОП, як і дискретний біполярний транзистор, може працювати як у лінійному, так і в імпульсному режимі.

Властивості та параметри ОП дозволяють ефективно використовувати їх для побудови імпульсних пристроїв, зокрема компараторів. У таких функціональних вузлах порівнюються дві напруги, що надходять до входів (чи на один вхід) підсилювача: вхідна: U_ВХ , що змінюється, і опорна U₀ , яка заздалегідь визначається. Опорна напруга позитивної або негативної полярностей незмінна за величиною. Коли вхідна напруга досягає рівня опорної, компаратор перемикається, на виході ОП відбувається зміна полярності напруги, наприклад, з U ^– _вих.mахна U ⁺ _вих.mах.( чи навпаки). Аналогічно відбувається процес перемикання при співпадінні амплітуд двох сигналів, що надходять на входи компаратора.

Для порівняння різнополярних напруг на вході використовують одновходовий компаратор (рис.6.17,а), в якому опорний сигнал і досліджуваний надходять до інвертувального входу ОП. В початковому стані за відсутності вхідного інформаційного сигналу на інвертувальному вході діє + U₀ , виконується нерівність |U_ВХ |<U_О |, тому результуюча напруга на інвертувальному вході U_ІН > 0 а напруга на виході компаратора U_вих = U ^– _вих.mах E ^–_С (напруги на інвертувальному вході і на виході різнополярні). На цей же вхід подається наростаючий вхідний сигнал протилежної полярності. Результуючий сигнал на інвертувальному вході змінюється і як тільки досягне встановленого порогового рівня та перевищить його за абсолютним значенням на вході буде діяти негативний по-тенціал (U_ін < 0), що викликає перемикання компаратора в інший стан, в якому U⁺_вих.mах E⁺_С. Завдяки великому коефіцієнту підсилення ОП перемикання відбувається за дуже незначного перевищення амплітуди вхідного сигналу над пороговим рівнем. Цьому також сприяє відсутність зворотного зв’язку. Пороговий рівень визначається співвідношеням опорів:

U_вх.пор = U₀ R₁| R₂

Таке визначення рівня напруги відрізняється від традиційного для подільника напруги (розд.1.6.2.), тому що одержано з урахуванням віртуального замикання. За відсутності вхідного ЕІС резистор R1 фактично підключається до загальної точки схеми ( до «землі»). Вхідний струм ОП вважаємо відсутнім, а тому на R3 спад напруги не створюється, а відтак резистор R2 фактично теж приєднаний до «землі». Струм, що створюється джерелом опорної напруги I = U_O/R₂ .Великий вхідний опір ОП обумовлює протікання цього струму через резистор R1, на якому формується спад напруги, означений наведеною формулою.

У двовходовому компараторі (рис. 6.17, б) сигнали, які порівнюють, надходять до обох входів ОП. Тому стан виходу компаратора (полярність вихідної напруги) визначається більшою за рівнем напругою одного з входів Якщо вхідні напруги однакові, вихідна напруга компаратора дорівнюєнулю аналогічно роботі аналогового ОП.

Якщо необхідно зафіксувати появу позитивного ЕІС, або перевищення його рівня, на неінвертувальний вхід подається відповідна опорна напруга + U_0. При цьому на виході ОП одежуєм початковий стан ОП U⁺_вих.mах E⁺_С. Як тільки сигнал на інвертувальному вході перевищить встановлений пороговий рівень, ОП перемикається.На виході встановлюється U_вих = U ^– _вих.mах E ^–_С .

Перемикання одновходових та двоходових компараторів широко використовують в автоматизованих системах для визначення часу співпадіння за амплітудою двох сигналів (« 0-органи»), чи появи сигналів тривоги, при перевищені параметрів в технологічних процесах та ін...

Основним показником ОП, що працюють в імпульсному режимі, є їх швидкодія, яка оцінюється затримкою спрацьовування та часом зростання вихідної напруги. Найбільшу швидкість мають спеціалізовані ОП, що отримали загальну назву “компаратори”, які призначені для імпульсного режиму роботи. Затримка спрацьовування таких мікросхем менше 1 мкс, а час зростання вихідної напруги становить соті частки мікросекунди.

6.7 Поточний самоконтроль

6.7.1 Завдання для моделювання та дослідження схем в MS

1. Побудувати модель масштабного підсилювача (рис. 6.18) та дослідити зміни коефіцієнта підсилення і верхньої межової частоти при збільшенні опору зворотного зв`язку в 50 та 100 разів.

Для цього змінювати опір потенціометра R2 , виставляючи 20 кОм, 50 кОм, 90 кОм. При цьому за допомогою вимірювача АЧХ визначити відповідні величини верхніх межових частот. Зробити висновки відносно зміни коефіцієнта підсилення та значення межової частоти.

2. Побудувати модель суматора (рис.6.19, а). Розрахувати та експериментально підібрати частоти та амплітуди вхідних інформаційних сигналі з метою синтезу вихідного сумарного сигналу, осцилограма якого показана на рис.6.19, б (внизу). Співвідношення між значеннями частот функціональних генераторів доцільно вибрати таким: f, 10 f , 50 f. Дослідити форму осцилограми сумарного сигналу, послідовно змінюючи частоти генераторів та зберігаючи вказані пропорції.

3. Побудувати модель та дослідити диференціатор (рис. 6.20). На виході функціонального генератора сформувати гармонічний сигнал частотою 30 кГц, амплітудою 1 В.Чутливість каналу А осцилографавиставити на рівні 500мВ/под..каналу Б – 50 В/под.

Тривалість розгортки 20 кс/под. .Сумістити осцилограми вхідних та вихідних сигналів рис.6.21,а), За допомогою візірних лінійок визначити зсув сигналів за фазою, враховуючи постійний зсув за фазою при інвертувальному вмиканні.

При підсилені сигналів за допомогою масштабного підсилювача (за інвертувального вмикання ОП) на виході формується гармонічний сигнал зі зсувом за фазою 180⁰. При цьому максимуму позитивної напівхвилі вхідного сигналу відповідає максимум негативної хвилі вихідного сигналу. В диференціаторі (рис 6.21-а) максимум негативної напівхвилі вихідного сигналу відстає від максимума позитивнвої напівхвилі вхідного на 90⁰. При надходженнні синусоїди на виході формується косинусоїда, тобто перша похідна вхідного сигналу Зверніть увагу на те, що вихідний сигнал за фазою опереджає вхідний на 90⁰. Таким чином, на виході одержують першу похідну вхідного сигналу.

Переключити генератор в режим формування прямокутних імпульсів частотою 30 кГц, амплітудою 1 В та 20% заповненням. Чутливість каналів А та В осцилографа відповідно 2 та 10 В/под.

Одержати та проаналізувати осцилограми, що подані на рис.6.20,б, враховуючи інверсію сигналів при інвертувальному вмиканні.

4. Побудувати модель та дослідити інтегратор на ОП (рис.6.22).

На виході функціонального генератора сформувати гармонічний сигнал частотою 100 кГц, амплітудою 20 мВ, чутливість каналів А та В осцилографа10 мВ/ под.. та 2 мВ /под.. відповідно, тривалість розготоки 5 мкс/ под.

Проаналізувати осцилограми вхідного (рис.6.23, а -1) та вихідного (рис.6.23-б-2) сигналів. В інтеграторімаксимум негативної напівхвилі вихідного сигналу опереджає максимам позитивнвої напівхвилі вхідного на 90⁰.При надходженнні косинусоїди на виході формується синусоїда, тобто перша похідна вхідного сигналу.

Перевести функціональний генератор в режим формування імпульсних сигналів. Встановити параметри вхідних сигналів: частота 500 Гц, амплітуда 1 В, заповнення 10%. Чутливість каналів А та В осцилографа 2В/под., 20 В/под.., три

Читайте також:

1. IV розділ. Сегментація ринку та вибір цільового сегменту
2. IІI розділ. Аналіз стану маркетингового середовища підприємства
3. V розділ. Товарна політика підприємства
4. VI розділ. Маркетингова цінова політика
5. VII розділ. Маркетингові рішення з розподілу та збуту товару
6. VIII розділ. Маркетингова політика комунікацій
7. А) Роздільне складання таблиць (За підручником Богдановича М.В.)
8. Аварійно-рятувальні підрозділи Оперативно-рятувальної служби цивільного захисту, їх призначення і склад.
9. Актив і пасив балансу складаються також з певних розділів.
10. Активи, що реалізуються повільно (А3) – це статті 2-го розділу активу балансу, які включають запаси та інші оборотні активи (рядки 100 до 140 включно, а також рядок 250).
11. Аналіз бойових дій пожежних підрозділів
12. Б – розділення гелю на дві фази

Переглядів: 10361