Интегральные микросхемы

5. Интегральные микросхемы

5.1. Общие положения

Понятие ²интегральные²означает, что на одном полупроводниковом кристалле с помощью лазерной обработки, напыления, лигирования и других технологических процессов реализуется большое количество элементов: резисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы.  Все элементы выполнены на одном основании, поэтому очень велика температурная стабильность работы элементов.

Понятие ²микросхема² означает, что все элементы имеют очень малые размеры, оперируют малыми напряжениями и токами: (токи - доли mA... mA, напряжения - единицы и десятки B). Очень распространены напряжения питания 5B,15B.

Различают аналоговые и цифровые микросхемы. Аналоговые: операционные усилители, компараторы, перемножители. Цифровые: логические элементы, элементы с памятью и др.

5.2. Аналоговые микросхемы. Операционные усилители

Изображение операционного усилителя (ОУ) показано на рис. 71. Вх1-инвертирующий, Вх2 -неинвертирующий.       Современное изображение представлено на рис. 72. На изображении операционного усилителя могут быть отражены еще некоторые выводы: выводы питания,  вывод балансировки (установка 0 на выходе ОУ), выводы коррекции частотной характеристики. У некоторых ОУ выводы коррекции могут отсутствовать, т.к.они имеют внутреннюю коррекцию. Обозначение ОУ: КХХХУДY.  XXX -три цифры серии, Y-разработка в серии. Очень популярный ОУ: К 140УД 7.

5.2.1. Свойства ОУ

1. Коэффициент усиления Ку®¥. Ку=50000...500000.

Рекомендуемые материалы

Ку=DUвых/DUвх@Uвых/Uвх.

2. Входное сопротивление Rвх®¥.

Rвх=DUвх/DIвх.

3. Полоса рабочих частот бесконечна.

4. Выходное сопротивление Rвых®0.

Практическая трактовка свойств ОУ

1. Обычно Uп£15 В,  Uвых<Uп. При Uп1,2=±15В: Uвых.max=±10¸12В.            Тогда

Uвх=Uвых/Ку=10/ (100000) =0,0001В=100mkВ@0.

Это означает, что напряжение между входами ОУ близко к нулю (рис. 73). Примечание: это свойство справедливо, пока ОУ находится в линейном режиме, т.е. Uвых<Uвых.max =12...13В.

2. DIвх=DUвх/Rвх@0/¥=0,

т.е. входные выводы ОУ тока не потребляют: Iвх1=Iвх2=0.  (рис. 74). 

3. ОУ является безинерционным устройством.

4. Выходное напряжение ОУ не зависит от нагрузки.

5.2.2. Основы схемотехники ОУ

Современные операционные усилители имеют не менее трех каскадов

усиления.

Входной дифференциальный каскад

Основой его является усилительная схема на двух транзисторах.

Схема входного дифференциального каскада показана на рис. 75. Реализация источника тока I₀ представлена на рис. 76. Ввиду полной идентичности транзисторов ток I₀ делится между эмиттерами транзисторов поровну.

Рассмотрим случай при Uвх=0.  Т.к. эмиттерные токи VT1 и VT2  равны I₀/2, то коллекторные токи также равны I₀/2 (пренебрегаем малыми базовыми токами). График напряжений на элементах схемы представлен на рис. 77. Uвых=Uвых1-Uвых2=0.

При Uвх¹0 график показан на рис. 78. Под действием положительного входного напряжения VT1-открывается, VT2-закрывается. Uвых= Uвых1-Uвых2¹0 - баланс нарушен.

Недостатки такого дифференциального каскада:

1. Выходное напряжение снимается между коллекторами, т.е. не привяза-

но к общей точке.

2. Низкий коэффициент усиления по напряжению при малом уровне тока I₀ и конечных сравнительно низких номиналах R_к1 и R_к2.

   

Современный входной дифференциальный каскад

Схема показана на рис. 79. VT1 и VT2 с источником тока I₀ повторяют первую схему. Добавлены VT3 и VT4, образующие повторитель тока эмиттера транзистора VT1. Ток 2I_б при больших коэффициентах усиления »0. Схема на транзисторах VT3 и VT4  называется “токовое зеркало”. Отдельно схема токового зеркала изображается, как показано на следующем рисунке.

 В этой схеме, если транзисторы одинаковы, то потенциалы баз равны и токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 будут тоже абсолютно одинаковы.   При заданном токе Iвх, очень малая часть его, величиной 2Iб, ответвляется в базы транзисторов VT1 и VT2. Поэтому  ток Iк2 будет примерно равен току Iвх. 

Т.о. токовое зеркало – это повторитель тока. Разбаланс токов определяется только тем, что ток коллектора VT1 меньше Iвх на величину 2Iб. При равных коэффициентах усиления транзисторов можно записать:

Iк2=h_21Э*Iб=Iк1; Iк1=Iвх–2Iб.

Из второго уравнения: Iб=(Iвх– Iк1)/2. Подставляем это в первое уравнение

Iк2=h_21Э(Iвх– Iк2)/2, откуда

Iк2=Iвх*h_21Э/(2+ h_21Э)» Iвх.

Для схемы на рис.79 можно записать:

При Uвх=0: I_VT1=I₀/2, I_VT2=I₀/2, I_VT4=I_VT1=I₀/2. Т.к. I_VT2=I_VT4 , то I_н=0.

При Uвх>>0: VT1-открыт, VT2-закрыт, I_VT1=I_VT3=I_VT4=I₀, I_VT2=0, поэтому I_н=I_н2=-I₀.

При Uвх<<0: VT1-закрыт, VT2-открыт, I_VT1=I_VT3=I_VT4=0, I_VT2=I₀, поэтому  I_н=I_н1= I_0.

Существуют и другие варианты подобных каскадов.

Для получения большого коэффициента усиления операционные усилители обычно делаются трехкаскадными. Следующий второй каскад называется промежуточным каскадом.

Промежуточный каскад

Он может быть выполнен:

а) как первый входной каскад;

б) с общим эмиттером;

в) с общим коллектором.

Выходной каскад

         Чаще всего применяется реверсивный эмиттерный повторитель на транзисторах разного типа проводимости. Схема его показана на рис. 80.

5.2.3. Параметры операционных усилителей

1. Напряжение питания U_{ПИТ.НОМ}=2´(5…16,5)В.

2. Ток потребления I_ПОТ=(0,15…10)мА.

3. Коэффициент усиления K_U=10³…10⁵.

4. Напряжение смещения U_СМ=(0,5…20)мВ. Это напряжение, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы U_ВЫХ=0.

5. Входной ток I_ВХ=(0,1…1000)нА.

6. Разность входных токов DI_ВХ=(0,05…500)нА.

7. Входное сопротивление R_ВХ=5кОм…50Мом.

8. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОС.СФ=(60…100)Дб.

9. Максимальное синфазное напряжение U_CФ.MAX=(10…30)В.

10. Максимальное дифференциальное напряжение U_ДФ.MAX=(5…30)В.

11. Максимальное выходное напряжение U_ВЫХ.MAX=(10…12)В.

12. Минимальное сопротивление нагрузки R_Н.MIN=2кОм.

13. Частота единичного усиления f₁=(0,5…30)МГц.

14. Скорость нарастания выходного напряжения V_U=(0,2…500)В/мкс.

Классификация ОУ

1. ОУ общего применения.

2. Прецизионные ОУ имеют большой К_У(3*10⁵), малое U_CМ (0,05мВ), большое R_ВХ  (30 МОм).

3. Быстродействующие ОУ с высоким значением V_U.

4. Микромощные ОУ с малым током потребления.

5.2.4. Основные схемы включения ОУ.

Инвертирующее включение ОУ

ОУ обычно применяется с обвязывающими цепями. Применение

этих  цепей позволяет выполнять с помощью его математические операции:

алгебраическое суммирование, интегрирование, дифференцирование. Инвертирование - это изменение знака.  Одновременно со всеми указанными операциями выполняется усиление входного сигнала.

Типовая схема инвертирующего включения представлена на рис. 81.  Схема замещения выходной цепи представлена на рис. 82.

На основе свойств ОУ можно записать следующие уравнения:

Iвх=Uвх/Zвх;

Iос=Iвх;

Iос= -Uвых/Zос.

На основе этих уравнений получаем:

 -Uвых/Zос=Uвх/Zвх;  

Uвых= -Zос/Zвх´Uвх;

Uвых/Uвх= -Zос/Zвх,

где Zос/Zвх=Ку -коэффициент усиления схемы.

Отношение Uвых/Uвх в случае, если каждая из этих величин записана в преобразовании Лапласа, называется передаточной функцией схемы.

Понятие передаточной функции - одно из основополагающих понятий теории управления.

Применение инвертирующего усилителя  в качестве интегратора

Схема представлена на рис. 83. На ней: Zвх=Rвх; Zос=1/pCос. Тогда

-Uвых/Uвх=1/(pCос´Rвх)=1/pТ_и,

где Т_и=Сос´Rвх-постоянная интегрирования.

Получение этих же зависимостей с помощью подробного описания

на основе двух свойств ОУ:

i_вх=u_вх/Rвх;

i_вх=i_ос.

Выходное напряжение ОУ:

u_вых= –1/Cосòi_осdt= –1/Cосò(u_вх /Rвх)dt= –1/(CосRвх)òu_вх dt Þ –1/(pСосRвх)´Uвх.

Диаграмма работы интегратора без учета инвертирования представлена на рис. 84.

А ниже приведена широко распространенная в системах регулирования схема ПИ-регулятора:

Задание: для этой схемы найдите самостоятельно передаточную функцию.

Схема дифференцирования

Схема представлена на рис. 85.

Zвх=1/pСвх; Zос=Rос;

-Uвых/Uвх=Rос/(1/ рСвх)= рСвхRос=рТд,

где Тд=СвхRос - постоянная дифференцирования.

Диаграммы работы представлены на рис. 86, где p/2 -сдвиг по фазе.

Амплитуда выходного сигнала зависит от Тд (чем больше Тд, тем больше

 амплитуда).

Схема суммирования

Схема представлена на рис. 87. Исходные уравнения:

I1=Uвх1/Rвх1; I2=Uвх2/Rвх2; I3=Uвх3/Rвх3; Iос=I1+I2+I3; Uвых=Iос´Rос.

Отсюда

Uвых= Uвх1´Rос/Rвх1 + Uвх2´ Rос/Rвх2 + Uвх3´Rос/Rвх3.

Входов может быть сколько угодно, знаки входных напряжений произвольны.

Если в качестве Zос применить Cос, то одновременно с суммированием будет выполняться и интегрирование.

На практике резисторы устанавливаются  величиной 1кОМ¸десятки кОМ.

5.2.5. Активные фильтры

Фильтры применяются для выделения постоянной составляющей в изменяющемся от времени сигнале. Фильтрация требуется, например, для выходного напряжения выпрямителей, выходного напряжения широтно-импульсного регулятора.

Фильтр первого порядка

Схема представлена на рис. 104. Uвых(р)/Uвх(р) -передаточная функция. ОУ работает в линейном режиме (все свойства действуют). Исходные уравнения:

Uвых(р)/Uвх(р)=Zос/Zвх;

 Zос=(R2´(1/pС))/(R2+1/pС)=R2/(pR2C+1); Zвх=R1.

Тогда

Uвых/Uвх=R2/R1/(pR2C+1).

Если рÞd/dt, то Uвых´рСR2+Uвых=(R2/R1)´Uвх. Решение этого дифференциального уравнения ищется в виде экспоненты.

5.2.6. Неинвертирующее включение ОУ

  

Схема представлена на рис. 88. Другое возможное изображение представлено на рис. 89. Исходные уравнения:

I1=Uвх/R1; I1=Iос; Iос=(Uвых-Uвх)/Rос.

Отсюда

Uвх/R1=(Uвых-Uвх)/Rос; Uвх/R1+Uвх/Rос=Uвых/Rос.

Следовательно,

Uвых=(Rос/R1+1)´ Uвх =(Rос+R1)/R1´Uвх

или

Uвых/Uвх=(Rос+R1)/R1.

 

5.2.7. Ограничители сигналов на ОУ

 

 Применение нелинейных элементов позволяет реализовать нелинейную

связь между входным и выходным напряжениями. Обычно это выполняется с помощью инвертирующего включения. Характеристика, связывающая  входное и выходное напряжения в инвертирующем включении, имеет вид,  представленный на рис. 90. При этом tga=Rос/Rвх.

Схема, реализующая характеристику без положительных значений выходного напряжения, представлена на рис. 91.

Ограничение выходного напряжения на заданном уровне может быть выполнено с помощью схемы, представленной на  рис. 92.

1. При Uвх>0:

если  U_ОС³U_VD1+U_СТ2, то Uвых=U_ОГР1=U_VD1+U_СТ2,

т.е. напряжение на цепи обратной связи будет постоянным.

2. При Uвх<0: 

если  ½U_ОС½³½U_VD2+U_СТ1½, то Uвых=U_ОГР2=U_VD2+U_СТ1.

Когда U_СТ1 не равно U_СТ2, уровень ограничения U_ОГР1 будет не равен уровню ограничения U_ОГР2 . Отметим, что Uвых всегда равно падению напряжения на сопротивлении обратной связи.

5.2.8. Схема прецизионного выпрямителя

Нелинейность прямой ветви ВАХ диода делает неточным выпрямление малых переменных сигналов, т.к. реальный диод перестает проводить ток при напряжениях в прямом направлении, менее примерно 0,6 В. ОУ  позволяет построить прецизионный выпрямитель, который будет точно выполнять операцию выпрямления малых по величине переменных напряжений. Схема прецизионного выпрямителя показана на рисунке.

Здесь диод VD1 выполняет функцию однополупериодного выпрямления, напряжение на выходе ОУ DA1 – это инвертированное входное положительное напряжение, которое равно напряжению на резисторе R2 (напряжение на  VD1 не участвует в формировании выходного напряжения). При отрицательном входном

напряжении напряжение на выходе ОУ DA1 равно положительному падению на диоде VD2, которое является обратным напряжением для диода VD1 и не проходит на выходную нагрузку. 

5.2.9. Компараторы

Компараторы определяют знак входного сигнала. Компараторы являются связующим элементом между аналоговыми и цифровыми схемами. Для реализации компаратора может использоваться операционный усилитель без обвязывающих цепей Zвх, Zос. Характеристика компаратора должна иметь вид, показанный на рис.93. Чтобы из инвертирующего включения получить компаратор, из схемы необходимо убрать Rос.  R1 можно закоротить, как показано на рис. 94. Возможно и неинвертирующее включение ОУ (рис. 95).

Выпускаются специализированные микросхемы компараторов:  К521СА3, К554СА3, КР597СА2 и др. Специализированные компараторы обладают повышенным быстродействием и имеют цифровой выход 1 и 0.

Диаграммы работы компаратора представлены на рис.96.                                        

Схема применения компаратора для

широтно-импульсного регулирования

Схема представлена на рис. 97. Получение  пилообразного входного напряжения показано на рис.98. Диаграммы работы исходной схемы показаны на рис.99. В схеме рис.97 ОУ является компаратором, который сравнивает два сигнала - пилообразный и управляющий. Изменяя величину Uупр можно  менять длительность интервалов t1 и t2. При этом период выходного сигнала T изменяться не будет, а соотношение между t1 и t2 будет зависеть от Uупр. Варианты:

1. Uупр=0:  t1=0, t2=T, Uвых = -Uнас.

2. Uупр=Uпил.max/2:  t1=t2=T/2, Uвых.ср.=0.

3. Uупр=Uпил.max :  t1=T,  t2=0, Uвых =Uнас.

Т.о. изменяя величину Uупр от 0 до max можно менять среднее значение выходного напряжения Uвых.ср. от -Uнас. до Uнас. Uвых.ср. - это постоянная составляющая выходного сигнала, которая  может быть выделена с помощью фильтра. При изменении ширины интервалов t1 и t2 меняется Uвых.ср, поэтому такой способ регулирования среднего значения напряжения называется  широтно-импульсное регулирование.

5.2.10. Триггер Шмитта на ОУ

Он является компаратором с зоной нечувствительности. Зона нечувствительности может быть установлена любая желаемая, например, такой величины, чтобы при определении знака входного сигнала не чувствовался уровень помех во входном сигнале.

Триггер Шмитта строится на основе компаратора, но добавляется положительная обратная связь. Схема представлена на рис.100. В этой схеме на неинвертирующий вход через делитель R1R2 подана часть выходного напряжения, причем знак напряжения на неинвертирующем входе зависит от знака выходного напряжения. Напряжение на неинвертирующем входе называют опорным

Uоп=Uвых´R2/(R1+R2).

Диаграммы работы представлены на рис.101. Иногда Uоп называют пороговым напряжением. Т.о., если полезный сигнал содержит уровень помех меньше Uоп, то эти помехи на определение знака не будут сказываться. Знак определяется только гладкой составляющей опорного сигнала. При отсутствии опорного сигнала при переходе входного сигнала через нуль и наличии помех было бы многократное переключение компаратора за счет помех (рис. 102).

Схема мультивибратора на ОУ

Вместе с этой лекцией читают "5 Принудительное изъятие".

Мультивибратор является автоколебательной схемой. Выход мультивибратора изменяет свое состояние на противоположное за счет действия времязадающей RC цепи. Составной частью мультивибратора (рис. 103а) является схема триггера Шмитта. При изображении мультивибратора к триггеру Шмитта добавляют времязадающую RC цепь, которая действует на инвертирующий вход ОУ вместо источника внешнего входного сигнала.

Будем рассматривать работу мультивибратора с момента подачи питания в схему. При подаче питания выход примет значение +Uнас или -Uнас  (рис. 103б). В первый момент конденсатор С разряжен и напряжение между входами равно Uоп. При установке в исходное состояние конденсатор С начинает заряжаться. Между входами ОУ напряжение Uоп-Uс, т.к. Uоп>Uс, то Uоп  определяет выход ОУ. Когда Uс достигнет Uоп, произойдет переключение ОУ на противоположное. В момент равенства этих напряжений ОУ начинает работать в соответствии с его свойствами. Т.к. при этом напряжение между входами близко к нулю и  меняет знак на противоположный, то и выходное напряжение меняется на противоположное. При изменении знака выходного напряжения меняется знак опорного и конденсатор начинает перезаряжаться по пунктирной стрелке. Когда положительное напряжение на конденсаторе сравнивается с положительным опорным (момент времени t2), выходное напряжение ОУ изменится на противоположное.

При включении схемы интервал (0-t1) короче, чем последующие интервалы. Для установившегося режима:

t1=t2=t3=...; T=t1+t3ºR3C1;  f=1/T.