Усилители с трансформаторной связью.

Особенности трансформаторной связи:

1) Трансформатор не преобразует постоянный ток, поэтому разделяет каскады по постоянному току (см. R-С связь).

2) Трансформатор заваливает низкие частоты.

3) Трансформатор за счет резонансных свойств вносит дополнительные частотные искажения на резонансной частоте(f_рез).

4) Трансформатор, преобразуя напряжение и ток, например, в 10 раз, преобразует сопротивление в 100 раз. Это позволяет согласовать любое сопротивление R_вх2 с R_вых1

5) Трансформатор имеет большую массу, габариты, большую стоимость.

6) Трансформатор позволяет снизить напряжение питания в два раза, т.к. потери напряжения от постоянного тока в W1 малы.

АЧХ усилителя с трансформаторной связью

Схема двухкаскадного усилителя с трансформаторной связью.

Сб – блокировочный конденсатор. Обеспечивает прохождение переменной составляющей тока минуя R2, поэтому Ku↑.

Расчет трансформатора:

n=W2/W1 – коэффициент трансформации

R’_н = R_н/n² – сопротивление преобразованное трансформатором.

R_н = R_вх второго каскада.

Выбирая коэффициент трансформации (n) можно получить необходимые R’_н при заданном R_н. Поэтому такие трансформаторы называют согласующими.

Усилители с непосредственной связью по постоянному току (УПТ)

АЧХ УПТ

УПТ усиливает постоянный ток, очень низкие частоты, средние частоты одинаково -- в этом их универсальность. Значит в УПТ отсутствуют L, C.

Благодаря универсальности УПТ усиливает все виды помех и искажений, в результате при Uвх = 0 → Uвых ≠ 0 и изменяется случайным образом - это называется «Дрейф 0».

«Дрейф 0» - основной недостаток УПТ.

Чтобы уменьшить «Дрейф 0»:

a) Стабилизируют ИП;

b) Применяют отрицательную обратную связь (ООС);

c) Применяют специальные схемы – балансные УПТ. (см. тему «УПТ»)

Тема 5.4 Обратная связь в усилителях

1. Обратная связь. Виды и параметры.

2. Влияние обратной связи на параметры усилителя.

1.Обратная связь (ОС) – это дополнительная цепь, через которую часть энергии с выхода усилителя поступает на его вход.

Виды ОС:

1. По элементам образующим ОС:

1.1 Внешняя ОС – создается дополнительными элементами;

1.2 Внутренняя ОС – образуется в элементах (основных)

Например С_к (емкость коллекторного перехода соединяет коллектор с базой)

2. По виду элементов ОС:

2.1 Пассивная ОС – образуется R, L, C

2.2 Активная ОС – создается или транзисторами или операционными усилителями.

3. По способу получения напряжения ОС - U_ос:

3.1 ОС по напряжению: признак U_ос ~ U_вых

3.2 ОС по току: признак U_ос ~ I_н

Правило: если мысленно отключить нагрузку и U_ос = 0, то это ОС по току.

4. По способу подачи U_ос на вход:

4.1 Параллельная обратная связь (см.пример 3.1)

4.2 Последовательная ОС (см.пример 3.2)

5. По соотношению фаз U_ос и U_вх:

5.1 Положительная ОС – признак: U_ос совпадает по фазе с U_вх и увеличивает его, следовательно, Ku↑.

5.2 Отрицательная ОС – признак U_ос противоположно по фазе U_вх и уменьшает его, следовательно, Ku↓

Основной параметр цепи ОС

Коэффициент передачи напряжения ОС. [β]

β = U_ос / U_вых (1)

β показывает какую часть U_ос составляет от U_вых

2. Влияние ОС на параметры усилителя.

Получим формулу Ku с учетом ОС:

K_{U OC} = U_вых / (U_вх ± U_ос) (2)

Из (1) и (2) следует что K_{U OC} =(U_вых / (U_вх ± β·U_вых)) умножим на (1/U_вх)

K_{U OC} =K_U/(1± β·K_U) (3)

Для ПОС (положительная обратная связь) в формуле (3) оставляем «–», т.к. ПОС увеличивает Кu.

K_{U ПOC} = K_U/(1–β·K_U), следовательно если β·K_U→к 1, то K_{U ПOC}→ ∞, это значит что любое случайное колебание на входе заметно усиливается и через ПОС поступает снова на вход, что многократно повторяется - это самовозбуждение усилителя, поэтому ПОС в усилителях не применяется.

ПОС применяется в автогенераторах.

Автогенератор – это хороший усилитель + ПОС с частотно зависимыми элементами.

Для ООС (отрицательная обратная связь) в формуле (3) оставляем знак «+», т.к. ООС уменьшает коэффициент усиления.

K_{U OC} =K_U/(1+β·K_U), если β·K_U >> 1, то K_{U OC} ≈ K_U/β·K_U ≈ 1/β.

Следовательно, основной параметр схемы K_{U OC} определяют элементы звена обратной связи, значит, стабильность работы усилителя схемы определяет эти элементы.

ООС обеспечивает:

1) Во сколько раз снижается Ku, во столько же раз уменьшаются уровни помех и искажений;

2) Стабилизируется работа схемы;

3) Выравнивается АЧХ и расширяется диапазон усиливаемых частот.

4) ООС позволяет задать любой К_{U ос} в пределах заданного К_U.

ООС обязательно применяется в современных усилителях.

Тема 5.5 Усилители синусоидальных сигналов.

1. Каскады предварительного усиления. Эмиттерный повторитель.

1.1 Усилитель на полевом транзисторе.

2. Выходные каскады

2.1 Выходные каскады с трансформаторным включением нагрузки.

2.2 Безтрансформаторные выходные каскады.

1.Каскады предварительного усиления – это входные каскады усилителей.

Требования:

1) Min уровень искажений;

2) Согласовать источник U_вх и основные каскады усилителя между собой.

КПД каскадов предварительного усиления заметно на КПД усилителя не сказывается из-за малых токов.

Чтобы выполнять эти требования в каскадах предварительного усиления создают
режим А.

Для согласования R_{ист Uвх} с усилителем достаточно выбрать каскад предварительного усиления с большим R_вх., чтобы выполнить условие R_вх>> R_{ист Uвх}.

Например, схема с ОЭ: R_вх до единиц кОМ; схема с ОК: R_вх до десятков кОм; схема на полевых транзисторах: R_вх до сотен кОм.

Схема с общим коллектором.

Признак схемы:

Нагрузка подключается к эмиттеру.

Свойства:

1) U_вых≈U_вх – поэтому схемы с ОК называют эмиттерный повторитель.

2) U_вых совпадает по фазе с U_вх

3) Наибольшее R_вх для схем на БТ

4) Наибольший K_I по току.

Усилитель на полевом транзисторе.

R_c подобное R_к в биполярных схемах:

1) ограничивает ток стока;

2) образует делитель напряжения с транзистором.

R_з выполняет две функции:

1) замыкает затвор на общую точку, следовательно, при U_вх = 0 потенциал затвора
φ_з = 0

2) Rз является нагрузкой для U_вх, поэтому R_з выбирают от сотен кОм, до единиц МОм, сравнимо с обратно включенным p-n переходом З-И.

R_и обеспечивает режим работы транзистора, т.к. при U_вх=0 в R_и проходит ток I_иА, поэтому φ_и= I_иА· R_и , значит U_зиА = φ_и – φ_з = I_иА * R_и – это напряжение определяет все токи транзистора, а значит и режим работы транзистора.

C_и пропускает переменную составляющую тока истока (i_и), если X_Cи << R_и . Поэтому режим работы транзистора не будет зависеть от входного сигнала.

2. Выходные каскады.

Выходные каскады – это как правило усилители мощности.

В выходных каскадах как правило проходят большие токи, поэтому КПД выходного каскада определяет КПД усилителя. Для выходных каскадов также необходимо выполнить требования – как можно меньшие искажения сигнала.

Выполнение этих требований возможно в схемах:

1) Усилители с трансформаторным включением нагрузки в режиме А.

2) В двухтактных схемах с трансформаторным включением нагрузки в режиме А-В близком к В.

3) В двухтактных схемах с безтрансформаторным включением нагрузки в режиме А-В близком к В.

Двухтактная схема выходного каскада с трансформаторным включением нагрузки.

Тр1 из U_вх формирует два напряжения U_бэ1 и U_бэ2 на базах транзисторов всегда противоположные по знаку, т.е. Тр1 переворачивает фазу одного напряжения относительно другого на 180^о – фазовращатель. Поэтому VT1 и VT2 работают поочередно. Например, в первую половину периода Uвх (рис.1 )считаем в точке а “+”, значит в точке с “–“, поэтому VT1 закрыт, VT2 открыт. В цепи проходит ток I_к2.(рис. 2)

Во вторую половину периода в точке а “–”, значит в точке с “+“, значит VT1 открыт, VT2закрыт. В цепи проходит ток I_к1.(рис. 3).

I_к1 и I_к2 через Тр2 поочередно в нагрузке формируют напряжение подобное входному.

Искажения сигнала минимальны.

R₁ и R₂ – делитель напряжения, определяющей режим работы АВ, близкий к В, что обеспечивает достаточно большой КПД.

Преимущества двухтактной схемы:

1) малое искажение при большом КПД за счет режима АВ близкого к В.

2) Увеличиваются пределы изменения тока коллектора (I_нагр) в 2 раза, по сравнению с однотактной схемой.

3) В данной схеме реализуются все преимущества трансформаторного включения нагрузки (см. «Трансформаторная связь»)

Безтрансформаторные выходные каскады

Схема двухтактного выходного каскада с безтрансформаторным

включением нагрузки.

Транзисторы разного типа (VT1 – n-p-n; VT2 – p-n-p) поэтому при подаче синусоидального сигнала (гр1) на вход, транзисторы будут работать поочередно и ток в нагрузке будет тоже синусоидальным (гр2 и гр3), т.е. в схеме с разного типа транзисторами не нужен фазовращатель. Такие схемы выполняют на комплиментарных транзисторах – транзисторы одинаковые по параметрам, но разные по проводимости.

Например: КТ502, КТ503; КТ814, КТ815; КТ818, КТ819.

Двухтактные схемы на комплементарных транзисторах имеют, как правило, двуполярное питание (см. рис.4)

Преимущества двухтактной схемы:

1. Малые искажения при большом КПД за счет режима В и двух транзисторов;

2. Увеличивается предел изменения тока коллектора (нагрузки) в 2 раза;

3. Увеличивается нагрузочная способность по току, т. к. пока транзистор закрыт, он остывает;

Двухтактная схема это два эмиттерных повторителя включенных параллельно.

Тема 5.6 Усилители постоянного тока (УПТ)

1. Особенности УПТ – см. «Тема 5.3»

2. Балансная схема УПТ.

3. Дифференциальный усилитель (ДУ).

4. Операционный усилитель (ОУ).

2. Балансная схема УПТ - мостовая схема УПТ.

Пример мостовой схемы:

Мост считается сбалансированным, если потенциалы в точке a и b равны. Это наблюдается при определенном соотношении R1, R2, R3, R4.

В балансной схеме УПТ мост образован: Rк1, Rк2, VT1, VT2. Одноименные элементы схемы выбираются одинаковые.

За счет R0 осуществляется предварительная балансировка моста, т.е. при Uвх = 0, Uвых = 0.

В данной схеме не возможен дрейф 0, поскольку причины, вызывающие дрейф 0 не могут разбалансировать мост. Например, изменение температуры действует на оба транзистора одновременно и одинаково, поэтому мост не разбалансируется.

При U_вх≠ 0 мост рабалансируется Þ U_вых ≠ 0 и соответствует U_вх.

Для примера полярности U_вх. на рисунке, U_вых имеет противоположную полярность (фазу), т. к. при этом VT1 приоткрываетсяÞU_кэ1¯, VT2 прикрываетсяÞ U_кэ2­.

3. Дифференциальный усилитель (ДУ) на БТ –это балансный УПТ имеющий источник стабильного тока в цепи эмиттеров (I₀ – const)

I₀ – const в данной схеме обеспечивается гигантским R₃ и Е₁.

Как и при анализе операционного усилителя, при рассмотрении дифференциального усилителя широ­ко используют дифференциальное входное напряжение U_вх.диф и синфазное входное напряжение U_{вх.синф}. Эти понятия при обращении к операционному усилителю ис­пользуют потому, что в качестве его входного каскада при­меняется дифференциальный усилитель. Дифференциаль­ное входное напряжение определяется выражением: U_вх.диф = U_вх2-U_вх1

Пусть U_вх.диф = 0. тогда U_{вх.синф}=U_вх1=U_вх2. Напря­жение U_{вых.диф} называют выходным дифференциальным сигналом, причем U_{вых.диф} = U_к1-U_к2.

Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, как это было показано выше, состоит в исполь­зовании в одном целом двух совершенно одинаковых по­ловин. Эта идея достаточно часто применяется в электро­нике.

Использование двух одинаковых половик приводит к тому, что выходное напряжение U_{вых.диф} очень слабо за­висит от входного синфазного напряжения и практически определяется только напряжением U_{вх.диф .} Усилитель называют дифференциальным потому, что U_{вых.диф} пропор­ционально напряжению U_вх.диф (пропорционально разно­сти напряжений U_вх1 и U_вх2). Другие дестабилизирующие факторы, кроме синфазного напряжения, также оказыва­ют слабое влияние на величину U_{вых.диф.}

Рассмотрим кратко процессы, происходящие в усили­теле при поступлении на его вход положительного сигна­ла U_вх.диф.. При увеличении этого сигнала, во-первых, уве­личиваются ток базы и ток коллектора транзистора VT2. Это приводит к увеличению напряжения U_Rк2, и уменьшению напряжения U_к2. Во-вторых, уменьшаются ток базы и ток коллектора транзистора VТ1. Это приводит к уменьшению напряжения U_Rк1 и увеличению напряжения U_к1. В ре­зультате напряжение U_{вых.диф} увеличивается. Если напря­жение U_{вых.диф} чрезмерно велико, то транзистор VT2 может войти в режим насыщения, а транзистор VТ1 в состояние отсечки. При отрицательном напряжении U_вх.диф транзи­сторы меняются ролями.

Проведем количественный анализ ДУ. Пусть U_диф = 0 и установлен фиксированный ток I₀. Обозначим через β_ст1 и β_ст2 стати­ческие коэффициенты передачи тока базы, а через β₁ и β₂ динамические коэффициенты соответственно для транзи­сторов VT1 и VT2. Если β_ст1 = β_ст2 = β_ст , β₁ = β₂ = β, тогда в начальном режиме I_б1 = I_б2 = I₀/(2·(1+ β_ст))≈ I₀/(2·β_ст); I_к1 = I_к2 ≈ I₀/2

Допустим, R_к1 = R_к2 = R_к, тогда U_к1 = U_к2 = Е - I₀/2 · R_к

В частности, если I₀=Е_к/R_к, то U_к1 = U_к2 = Е_к/2

Такой начальный режим работы обеспечивает макси­мально возможный диапазон изменения напряжений U_к1 , U_к2 и U_{вых.диф} (-Е_к….+Е_к)

Определим коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала К_диф

К_диф = U_{вых.диф} / U_вх.диф = (β·R_к)/((β+1)·r_э≈R_к/r_э

U_вх.диф = 2·(β+1)·r_э·|_ΔI_б|

U_вх.диф = |_ΔI_б|·β·R_к·2

Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина r_э уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока I₀ коэффи­циент К_диф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы уси­лителя.

4. см.дисциплину «Импульсная техника»

5.

Раздел №2 Микроэлектроника

Тема 2.1 Основные понятия и принципы создания микросхем.

1. Классификация и маркировка микросхем.

2. Особенности изготовления биполярных и полевых интегральных микросхем.

3. Общая характеристика БИС (больших интегральных микросхем) СБИС (сверх БИС). Особенности технологий.

Микроэлектроника – это наука и область электроники, которая осваивает вопросы исследования, конструирования, изготовления, применения микроэлектронных устройств.

Существуют два направления развития микроэлектроники:

1) Интегральная микроэлектроника – рассматривает электронные устройства как совокупность интегральных микросхем, состоящих из отдельных элементов, соединенных по заданной схеме.

2) Функциональная микроэлектроника основана на использовании физических явлений обеспечивающих несхематические принципы работы приборов и устройств.

Основные понятия интегральной микроэлектроники.

1. Интегральная микросхема (ИМС, ИС) – это конструктивно законченное миниатюрное изделие, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки сигнала.

2. Плотность упаковки элементов – это отношение общего числа элементов к объему, занимаемому микросхемой (N/V) [1/см³]

3. Степень интеграции К = lgN

1.Классификация микросхем:

1) По степени интеграции:

К=1 (до 10 элементов) – простые интегральные микросхемы

K=2 (от 10 до 100 элементов) – средние интегральные микросхемы

К=3 (от 100 до 1000 элементов) – большие интегральные микросхемы

К≥4 (более 1000 элементов) – сверхбольшие интегральные микросхемы(СБИС)

2) По технологии изготовления:

2.1 полупроводниковые (п/п) интегральные микросхемы (ИМС) – все элементы и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводника;

2.2 пленочные ИМС – все элементы и межэлементные соединения выполняются в виде пленок различных веществ;

2.3 гибридные ИМС – активные элементы – п/п технология; пассивные элементы – пленочная технология или многокристальные микросхемы.

3) По применению:

3.1 цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС) – применяются для обработки импульсных, дискретных сигналов;

3.2 Аналоговые ИМС – предназначены для обработки непрерывных сигналов.

Маркировка ИМС содержит 5 элементов:

1) Одна или две буквы. Они обозначают материал и конструктивное оформление корпуса и применение.

К – микросхема широкого применения

Без К – специального назначения.

Р – пластмассовый корпус

М – керамический или металлокерамический корпус

Е – металлополимерный корпус

А – пластмассовый планарный корпус

И – стеклокерамический планарный корпус

Б – безкорпусные микросхемы

Э – экспортный вариант (другой шаг выводов), располагается перед К.

2) Цифра – обозначает технологию изготовления:

1, 5, 7 – п/п технология;

2, 4, 6, 8 – гибридная технология;

3 – прочие микросхемы (например: пленочные, вакуумные, керамические и т.д.).

3) Две или три цифры – порядковый номер серии микросхем.

Серия ИМС имеет единую технологию, согласованы по уровню питания, входных и выходных напряжений.

Серии микросхем удобны в совместном применении.

4) Две буквы обозначающие группу микросхем данной серии;

5) Одна или две цифры – условный номер подгруппы микросхем в данной серии.

Кроме пяти элементов возможна буква или цветная точка на корпусе – отличие по основным параметрам.

Пример маркировки КР142ЕН5А:

1) микросхема широкого применения в пластмассовом корпусе (КР);

2) полупроводниковая технология изготовления (1);

3) 142-я серия микросхем

4) ЕН – стабилизатор напряжений

5) 5 – номер подгруппы

А – разброс параметров

2. Все элементы в ИМС выполняют на основе транзисторов п/п технологии.

Этапы создания интегрального биполярного транзистора:

1) изготавливаем однородную подложку сверхчистого кремния “p”-типа; диаметр = 50 до 100 мм; толщина = 30 до 50 мкм. На этой подложке изготавливают одновременно до 500 микросхем.

2) Термическое окисление подложки при температуре = 1000-1300^о С в парах воды или в атмосфере кислорода. Получают SiO₂ (двуокись кремния) толщиной от 0,2 до 1 мкм. Хороший диэлектрик.

3) Фотолитография

3.1 наносят фоторезистор толщиной до 1 мкм – вещество которое твердеет под действием света;

3.2 засвечивают через фотошаблон;

3.3 трихлорэтаном растворяют не засвеченные участки фоторезиста;

3.4 плавиковой кислотой удаляют обнаженные участки SiO₂, следовательно, образуются окна требуемой конфигурации – маска

4) диффузия примесей, например, фосфор, сурьма, мышьяк при температуре = 1200^оС – создается карман “n”-типа

5) повторяем этапы 2, 3 создаем вторую маску, через которую вносим примеси, создающие “р”-область. Например: бор, галлий, индий.

6) повторяя этапы 2, 3 создаем третью маску, через которую вносим примесь, создавая внутреннюю область “n”-типа – эмиттер

7) повторяя этап 2, 3 создаем четвертую маску, через которую напыляем металлические контакты, например, алюминий толщиной 0,5-2 мкм, также создают соединительные дорожки.

Методы изоляции элементов.

В нашем примере изоляция между элементами обеспечивается двумя p-n переходами, один из которых включен в обратном направлении.

Рассмотренная технология изготовления интегральных транзисторов называется планарной, т.к. примесь вносится в п/п с одной и той же грани.

Недостатки планарной технологии:

1) Размытость p-n переходов приводит к тому, что будет низким процент годности микросхем, составляет от 5 до 30 % (годных)

2) Способ изоляции двумя p-n переходами создает паразитную емкость, что снижает частотные свойства микросхем.

Достоинства: меньшая трудоемкость – меньшее количество технологических операций.

Планарной технологией можно изготовить и полевые структуры. Чаще всего изготовляют полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным или индуцированным каналом - структура МДП (М-металичесий; Д-диэлектрик; П-основной п/п).

Иногда изготавливают структуру КМДП – комплиментарные полевые транзисторы с изолированным затвором (МД) и встроенным или индуцированным каналом.

Сравнительная характеристика полевых и биполярных структур:

1) Микросхемы КМДП меньше всего потребляют мощность для своей работы;

2) Микросхемы КМДП имеют меньшее быстродействие т.к. емкость З-К и сопротивление канала образует R-С цепь с большой τ_{зар/раз}.

3) Для изготовления микросхем КМДП требуется меньше технологических операций (24 против 32 у биполярных)

4) Микросхемы на биполярных структурах имеют средние основные параметры. Это и определило их преобладание.

5) Микросхемы КМДП имеют большую плотность упаковки.

Диоды в интегральном исполнении (п/п технология)

а) на основе коллекторного перехода б)на основе эмиттерного перехода

Имеет большее рабочее напряжение Имеет меньшее напряжение,

и меньший допустимый ток большой допустимый ток