Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

R= _кв (l/b)= _кв K_ф                                                    (2.2)

де К_ф = l/b— число квадратів із сторонами b, які вміщуються по довжині пластини l.

Опір квадрата резистивної  смужки (його ще називають поверхневим питомим опором) _кв є важливим параметром, який характеризує провідність смугових резисторів.

Дифузійний резистор в області емітерного шару планарного біполярного транзистора показаний на рис. 2.12, в. Опір такого резистора прямокутної форми визначається виразом (2.2). Від основи та інших елементів схеми він ізольований не менше, ніж трьома р—n-переходами, тобто дуже надійно. В лінійних ІМС іноді зустрічаються колекторні резистори, що мають смугу опору в колекторному шарі транзисторної структури.

     Найбільш низькоомні дифузійні резистори в області емітерного шару транзисторної структури, оскільки концентрація домішки в емітерному шарі найвища. Опір квадрата резистивної смуги для дифузійних емітерних резисторів дорівнює 2 ... 6 Ом/кв. Відносно високоомні напівпровідникові резистори в області базового і колекторного шарів планарнoго транзистора. При цьому питомий поверхневий опір області бази дорівнює 50—250 Ом/кв. Це дає можливість отримати доцільні за розмірами резистори, опори яких лежать в межах від 10 0м до і 10 кОм з розкидом ±10—30 %.

Якщо в мікросхемі необхідно застосувати резистори  з опорами в кілька десятків або  навіть сотень кіло,ом, то виготовляють так звані стиснуті резистори (пінч-резистори) на основі біполярної або уніполярної транзисторної структури. Поперечний переріз пінч-резистора на основі уніполярної транзисторної структури показано на рис. 2.12, г. Поперечний переріз p-каналу, що являє собою резисторну доріжку, зменшено зверху додатковою дифузією n⁺-типу. В залежності від довжин л, ширі;ня і товщини доріжки може бути одержано те чи інше значення опору пінч-резистора. Однак такі резистори мають значну нелінійність і розкид більше 30—50%. Затвор резистивного МОН-транзистора в залежності від потрібного характеру навантаження (ці резистори широко застосовуються в ІМС як навантаження в колах з низькими потенціалами) може під'єднуватися до витоку, стоку або корпусу.

Негативну роль при роботі напівпровідного резистора відіграє паразитна розподілена ємність  ізолюючого р—n-переходу. Незважаючи на дуже мале значення цієї ємності (2 ... 5 пФ) для резистора з опором 4—5 кОм, модуль загального опору суттєво змінюється вже на частоті порядку 10 МГц. Негативно впливають на роботу напівпровідникових резисторів температурні зміни (порівняно високе значення ТКО).

Конденсатори. Використовуючи ті самі принципи планарної технології, можна в кристалі ІМС одночасно з транзисторами і резисторами сформувати в інших острівцях підкладки або епітаксійного шару інтегральні конденсатори. Як конденсатори напівпровідникових ІМС використовуються ємності зворотно зміщених р—n-переходів бар'єрні ємності біполярної транзисторної структури або ємності МДН-структури. Номінали таких ємностей звичайно менше 100 пФ при розкиді ±20—30 %, номінальна напруга 7... 50 В.

 

Розділ 5. ПРИСТРОЇ  ЕЛЕКТРОНІКИ

Електронним підсилювачем називають пристрій, який використовують для підвищення потужності вхідного електричного сигналу до номінального значення, яке забезпечує нормальне функціонування вузла, приладу або електронної системи. При цьому підсилення малопотужного вхідного сигналу досягається за рахунок енергії зовнішнього джерела напруги (струму) значно більшого рівня потужності. Оскільки далі розглядатимемо лише лінійні електронні підсилювачі, вважатимемо незмінною частоту та форму підсилюваного сигналу.

 

Класифікація  та структурні схеми підсилювачів

Структурна схема електронного підсилювача зображена на рис. На цій схемі підсилювач має вигляд активних чотириполюсників, до вхідних затискачів (1,2) яких приєднують джерело вхідного сигналу у вигляді джерела напруги (рис.) або джерела струму (рис.). Зовнішнє навантаження Rн, яке споживає енергію підсиленого сигналу, під'єднується до виходу підсилювача (затискачі З, 4). Джерело вхідного сигналу навантажується вхідним опором підсилювача Rвх, на якому виділяється потужність вхідного сигналу. Цей сигнал керує енергією джерела живлення значно більшого рівня потужності. Таким чином, використання активного керуючого елемента (наприклад, транзистора) та більш потужного джерела живлення дає можливість підсилювати потужність вхідного сигналу.

Розглядаючи вхідне коло підсилювача з джерелом напруги (рис. ), можемо записати

                                                                                                                                                    

                            ,                                                    

звідки випливає, що спад напруги на внутрішньому опорі Rд джерела вхідного сигналу незначний Uвх»Eд, якщо виконується умова Rвх»Rд. Для вхідного кола підсилювача (рис .6)

                            ,                                                      

 тобто весь струм  джерела вхідного сигналу відгалужується  у вхідний зпір підсилювача  за умови, що Rд» Rвх. Отже, при великому вхідному опорі підсилювача керування в навантаженні здійснюють джерелом напруги, а при малому Rвх — джерелом струму.

Вихідне коло підсилювача  також може бути джерелом напруги KïUâõ (рис. ) або джерелом струму Кп Івх(рис. ) з внутрішнім опором Râèx. Ці джерела відображають властивості підсилювача,

РИС

які характеризуються коефіцієнтом прямої передачі Кп, що в першому випадку є коефіцієнтом підсилення напруги, а в другому — струму.

Всі електронні підсилювачі  підвищують потужність. Але в ряді випадків основним показником є підсилення струму або напруги. Тому електронні підсилювачі умовно поділяють на підсилювачі напруги, струму та потужності. Підсилювач' напруги забезпечує на навантаженні задане значення вихідної напруги. В такому режимі підсилювач працює, якщо виконуються умови Rвх»Rä та Rн»Рвих, що забезпечує відносно великі зміни напруги на навантаженні при невеликих змінах струму у вхідному та вихідному колах. В режимі підсилення струму необхідне виконання умов Rвх<<Rд та Rн<<Rвих, щоб у вихідному колі при малих значеннях напруги протікав струм заданого значення. Для підсилювача потужності умови узгодження вхідного кола з джерелом вхідного сигналу та вихідного кола з навантаженням для передавання максимальної потужності мають

вигляд Rвх»Rд та Rн»Rвих

За характером зміни  в часі вхідного сигналу розрізняють  підсилювачі постійного та змінного струмів. Підсилювачі постійного струму працюють при нижній частоті fн = 0. А підсилювачі змінного струму поділяються на підсилювачі низької та високої частоти.

Структура підсилювача  визначається смугою частот робочого діапазону. За цією ознакою підсилювачі поділяють на вибіркові, для яких характерне відношення fв/fн < 1,1 (підсилення в дуже вузькому діапазоні частот), та широкосмугові з fв/fн, яке досягає 1000 і більше.

Залежно від форми  підсилюваних сигналів розрізняють  підсилювачі гармонічних (синусоїдальних) та імпульсних сигналів. Оскільки імпульсні сигнали, наприклад прямокутної форми, містять в собі широкий спектр частот, імпульсні підсилювачі відносяться до класу широкосмугових. Якщо підсилення одного каскаду недостатньо, то як навантаження Rí використовується вхідне коло другого підсилювального каскаду, вихід якого під'єднується до входу третього каскаду і т. д. Підсилювач, що має кілька ступенів підсилення, називають багатокаскадним. Так, за структурою розрізняють однокаскадні та багатокаскодні підсилювачі, а за способом зв'язку між каскадами — підсилювачі з ємнісним, трансформаторним та гальванічним зв'язком.

Трансформаторний зв'язок використовується лише в кінцевих каскадах підсилення потужності для узгодження підсилювача з навантаженням.

Дедалі більше в підсилювальній техніці використовують операційні підсилювачі в інтегральному виконанні, які одночасно задовольняють багатьом названим вище умовам. Такі підсилювачі здебільшого підсилюють напругу і використовуються для підсилення сигналів як постійного, так і змінного струму в широкому діапазоні частот.

 

Основні характеристики підсилювачів

Властивості підсилювача  характеризують кількісні та якісні показники, які називають вторинними (вихідними) параметрами або функціями схеми. Розглянемо основні з них.

Коефіцієнт  підсилення. Цей найважливіший параметр підсилювача визначається відношенням напруги або струму (потужності) на виході підсилювача до напруги або струму (потужності) на його вході і показує, як змінився вихідний сигнал порівняно із вхідним. Якщо напругу або струм на вході та виході підсилювача подати в загальному вигляді відповідно як

 

                    ,

то

                    ,                              

де    -  модуль коефіцієнта підсилення; j = j_вих- j_вх - фазовий зсув між вхідною та вихідною напругою або між вхідним і вихідним струмом .

        Згідно з призначенням підсилювача  розрізняют коефіцієнти підсилення

за напругою , за струмом і за потужністю :

                ;          ;      .                 

Якщо підсилювач має п каскадів, то:

                                        .                    

Тут Кпі — коефіцієнт підсилення, виміряний за умови дії попереднього та наступного каскадів багатоканального підсилювача.

При великому числі каскадів коефіцієнт підсилення — число громіздке для практичного використання. Зручніша для цього логарифмічна шкала Кп, одиницею якої є децибел — десята частина десяткового логарифма відношення потужностей на виході і вході підсилювача (дБ):

                                               ,

Враховуючи, що потужність Р пропорційна U²або І², для коефіцієнтів підсилення за напругою та струмом одержимо:

                                         ;

                                          ;

при цьому коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача

                                        .                

Амплітудно-частотна та фазо-частотна характеристики. Лінійні спотворення. Залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти називається частотною характеристикою підсилювача, графічне зображення якої для підсилювачів змінної напруги показане   на рис.а. Оскільки модуль коефіцієнта підсилення на різних частотах має різні значення, гармонічні складові вхідного сигналу підсилюються неоднаково, і форма вихідного сигналу відмінна від форми вхідного сигналу. Це явище називається частотним спотворенням і спричинене реактивними елементами підсилювача, опір яких залежить від частоти. Крім того, від частоти залежать і фізичні параметри напівпровідникових приладів — активних елементів схеми підсилювача.

Частотні спотворення, які вносить підсилювач на частоті f, враховує коефіцієнт частотних спотворень М, що дорівнює відношенню модулів коефіцієнтів підсилення на середній і даній робочій частоті:

М = K_П0 /Knf.

Для багатокаскадного підсилювача

                                                                            

Як правило, коефіцієнт частотних спотворень знаходять  на граничних частотах fн.гр та fв.гр умовної смуги пропускання підсилювача, яка

 

РИС

 

являє собою діапазон частот Df=fв.гр—fн.гр. в межах якого зміна модуля коефіцієнта підсилення не перевищує заданої величини Mн = Кпо/Кп.н і Мв=Кпо/Кп.в. В ідеальному випадку, коли підсилювач не вносить частотних спотворень (М = 1), частотна характеристика повинна бути прямою (рис. а), паралельною осі частот.

Фазочастотна характеристика відображає залежність кута зсуву фази між вхідною та вихідною напругами, або аргументу коефіцієнта підсилення К від частоти (рис.). Позитивне значення кута j відповідає випередженню, а від'ємне — відставанню вихідної напруги відносно вхідної. Відзначимо, що під фазовим розуміють зсув, зумовлений реактивними елементами підсилювача, а той, що вноситься активними елементами на 180 ел. град., не беруть до уваги.

За фазочастотною характеристикою  оцінюють фазові спотворення, які вносить підсилювач, порушуючи фазові співвідношення між окремими гармонічними складовими складного сигналу і змінюючи його форму на виході. Якщо фазовий кут j пропорційний частоті, то це означає, що будь-яка гармоніка складного сигналу має той самий часовий зсув t і фазова характеристика j = -2pft, зображена на рис. штриховою лінією, є ідеальною. Сигнал при проходженні через підсилювач зсувається в часі, однак його форма залишається незмінною . Нелінійний характер реальної фазо-частотної характеристики вказує на різні часові зсуви для окремих гармонік сигналу складної форми. Тому фазові спотворення, які оцінюються так, як і частотні спотворення на нижній fн.гр і верхній fв.гр граничних частотах смуги пропускання, визначаються не абсолютним значенням кута j, а різницею ординат Ф фазочастотної характеристики і дотичних до неї (штрихпунктирні лінії на рис.). Очевидно, Фн = jн і Фв<jв .