Занятие 2. Основы цифровых и аналоговых интегральных схем

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить простейшие усилительные и инвертирующие каскады аналоговых и цифровых интегральных схем.

2. Прививать методические навыки логического изложения учебного материала.

3. Развивать инженерное мышление, формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции

Материальное обеспечение:

1. Плакат “ Основы интегральных схем”.

2. Набор интегральных схем.

3.

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.392-400.

2. И.П.Степаненко, Основы микроэлектроники, стр. 280-305, 339-356.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время принято делить электронные схемы на два класса: цифровые и аналоговые. В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи. Ключи характерны двумя устойчивыми состояниями: разомкнутым и замкнутым. На основе простейших ключей строятся более сложные схемы: логические, триггерные и др.

В основе аналоговых схем лежат простейшие усилительные каскады. На основе усилительных каскадов строятся сложные усилители, стабилизаторы напряжения и тока, преобразователи частоты и др. Такие схемы иногда называют линейными, хотя это название подходит только для усилителей и стабилизаторов, а для остальных является условным.

В данной лекции будут рассмотрены простейшие усилители и простейшие транзисторные ключи – инверторы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Простейший усилительный каскад

Усилители обычно состоят из нескольких однотипных элементарных ячеек, которые называют усилительными каскадами (или ступенями). Простейший усилитель постоянного тока, выполненный на одном транзисторе, показан на рис. 1. Для таких усилителей характерно двуполярное питание, т.е. использование двух источников питания с напряжениями +Е_к и –E_э относительно корпуса (земли).

Пусть входной сигнал U_вх равен нулю. Тогда в схеме протекают постоянные составляющие токов, обусловленные источниками E_к и E_э. Режим отсутствия сигнала принято называть режимом покоя усилителя. При наличии входного сигнала к постоянным составляющим добавляются переменные составляющие, пропорциональные величине U_вх. Рассмотрим постоянные составляющие, свойственные режиму покоя. Потенциал коллектора имеет вид

Величины I_к и U_к задаются заранее. Их совокупность определяет, как говорят, рабочую точку транзистора в режиме покоя. Напряжение питания E_к обычно тоже задано; тогда из данного выражения однозначно получается необходимое сопротивление R_к. Что касается величин E_э и R_э, то обе они должны быть достаточно большими и выбор их значений определяется желательной стабильностью рабочей точки транзистора при изменениях температуры и других факторов. Обычно E_э>2-3В.

При наличии входного сигнала усилитель характеризуется дифференциальными параметрами, главный из которых – коэффициент усиления - определяется как отношение выходного и входного сигналов:

Выходным сигналом принято считать переменную составляющую коллекторного напряжения. Если величина R_э взята достаточно большой, то напряжение на эмиттере транзистора практически повторяет входное колебание (U_mэ»U_mб)

тогда напряжение на нагрузке транзистора

а коэффициент усиления по напряжению

Из данного выражения следует, что сопротивление R_к желательно делать большим, а сопротивление R_э малым. Однако в реальной схеме сопротивление R_к определяется напряжением питания и рабочей точкой транзистора, а сопротивление R_э должно удовлетворять условию стабильности. Поэтому практически коэффициент усиления в рассматриваемом каскаде не превышает значений 4-5. Поэтому получить нужный коэффициент усиления (часто – несколько тысяч и десятков тысяч) можно только соединением нескольких усилительных каскадов в последовательную цепочку. Результирующий коэффициент усиления будет произведением коэффициентов усиления каждого каскада К=К₁К₂...К_N или в случае идентичных каскадов К=К₁^N.

Процесс объединения одиночных каскадов в последовательную цепочку называется каскадированием.

При построении простейших усилителей на МДП-транзисторах используют два схемных варианта – с резистивной и с динамической нагрузкой (рис.2).

Режим покоя выбирается так, чтобы рабочая точка находилась на участке с максимальной крутизной (режим насыщения) и вблизи термостабильной точки. Потенциал стока удобно делать равным нулю. Это облегчает каскадирование усилителей: можно непосредственно соединять сток предыдущего каскада с затвором следующего.Коэффициент усиления по напряжению каскада с резистивной нагрузкой определяется как

В случае динамической нагрузки, коэффициент усиления равен

где: S- крутизна, а Z- ширина каналов активного и нагрузочного транзисторов. Отношение Z₁/Z₂ трудно сделать более 50-100, поэтому коэффициент усиления, как правило, составляет всего несколько единиц.

Таким образом, простейшие усилители в интегральном исполнении могут быть выполнены на биполярных и МДП-транзисторах. Коэффициенты усиления таких каскадов невелики и большой коэффициент усиления может быть получен за счет каскадирования простейших усилителей.