Тема 3 – Основы микроэлектроники

§3.1 Основные понятия микроэлектроники

Микроэлектроника - это область науки и техники, связанная с созданием и применением интегральных микросхем /ИМС/.

Интегральная микросхема /ИМС/ – совокупность взаимосвязанных транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п., изготовленных в едином технологическом цикле, конструктивно оформленных как единое целое и выполняющих определённую функцию преобразования сигнала.

Под элементами ИМС будем понимать входящие в её состав транзисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.д., которые не могут быть выделены из неё в виде самостоятельных изделий.

Компоненты ИМС -  транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и т.д., которые могут быть отделены от ИМС и заменены на другие.

ИМС по конструктивно-технологическим признакам делятся на:

1) Монолитные – все элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки

2) Плёночные – все элементы выполнены в виде разного рода плёнок на поверхности диэлектрической подложки /пассивные интегральные схемы/

Рекомендуемые материалы

3) Гибридные – представляют собой комбинация плёночных пассивных элементов и дискретных активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты называют навесными. Навесным компонентом может быть монолитная ИМС.

4) Совмещённые - активные элементы выполняют в приповерхностном слое полупроводниковой подложки, а пассивные в виде плёнок, на предварительно изолированной поверхности того же кристалла.

Монолитные ИМС по типу использования активных элементов делятся на:

1) Биполярные схемы (на биполярных транзисторах)

2) МОП (металл-окись-полупроводник)

Сложность монолитных ИМС принято характеризовать количеством элементов на кристалле  и степенью интеграции .

Уровень технологии ИМС характеризует плотность упаковки, под которой понимают количество элементов на единицу площади кристаллов.

Гибридные плёночные ИМС делятся на:

· Толстоплёночные - плёнки на поверхности диэлектрика формируются нанесением через трафарет разного рода паст

· Тонкоплёночные - плёнки формируют путём напыления соответствующего материала в вакууме. Для создания рисунка используют маски.

Используется “свидетель” – резистор, который подключается к микросхеме и по достижению напряжения процесс заканчивается.

      Удельное сопротивление плёнок измеряется в    /Ом на квадрат/.

                             

По виду обрабатываемого сигнала ИМС делятся на:

1) Аналоговые

2) Цифровые

§3.2 Изоляция элементов в монолитных ИМС

Все методы изоляции делятся на:

1) Изоляция обратно смещённым p-n-переходом

2) Изоляция диэлектриком

Метод трёх диффузий. 1 недостаток: диффузия длится очень долго /десятки часов/

Метод разделительной диффузии.

Эпитаксио-технологический процесс выращивания монокристаллов.

Горизонтальная составляющая тока в коллекторе вызывает нагревание /коллектор слабо легирован  большее сопротивление/. Для уменьшения сопротивления делается скрытый n⁺ слой на дне кармана.

Перед тем, как выращивать эпитаксиальный слой, на дне будущих карманов методом локальной диффузии формируется n⁺ слой, затем проводится эпитаксиальное наращивание.

Это изоляция методом обратно смещённого перехода.

Изопланарная технология – метод прокисления /SiO₂/. Это комбинированный метод.

      Рассмотрим изоляцию диэлектриком. Одна из распространённых технологий - ЭПИК-процесс.

1) Берется пластина полупроводника n-типа с параметрами коллектора

2) Затем на этой пластине выращивается эпитаксиальный слой – это будущий скрытый n⁺ слой

3) Вытравливаются канавки. Затем вся рельефная структура окисляется

4) Дальше – сверху методом напыления наращивается поликристаллический кремний /Si/ толщиной 200…300 мкм. Назначение – чисто механическое удерживание. Встречается керамика, но она дороже.

5) Затем – всё, что ниже Si сошлефовывается/удаляется/ механической обработкой..

6)  Результат…

Технология «кремний на сапфире»

1) Берётся пластина сапфира. /Сапфир и кремний имеют одинаковую кристаллическую решётку, поэтому можно проводить эпитаксию/. Сапфир – очень хороший изолятор.

2) Наращивается слой Si толщиной в 10…15 мкм

3) Методом фотолитографии в Si травятся сквозные канавки

Недостаток – рельефность получаемой структуры.

§3.3 Элементы интегральных схем

[1] Многоэмиттерный транзистор, который является основой ТТЛ /Транзисторно-Транзисторная Логика/.

Для борьбы с паразитными горизонтальными транзисторами эмиттеры разносят на большое расстояние – то есть делают для них слишком большую базу /10…15 мкм/, и благодаря рекомбинации электронов с дырками эти транзисторы перестают работать.

- обозначение многоэмиттерного транзистора /Эмиттеры можно изображать по разные стороны от базы/

[2] Многоколлекторный транзистор, который является основой ИИЛ /Интегрально-Инжекционная Логика/.

Представляет собой многоэмиттерный транзистор, используемый в инверсном активном режиме. Необходимо, чтобы степень легирования была больше, чем у базы. База должна контактировать с n⁺ для увеличения  /инверсное/.

- обозначение многоколлекторного транзистора

[3] Транзистор с барьером Шотки, который является основой ТТЛШ.

Коллекторный переход зашунтирован диодом Шотки.

Транзистор работает в нелинейном режиме.

,где

-статический

   коэффициент передачи

   тока базы

 - ток базы насыщения

Переключение транзистора происходит не мгновенно,а аз время рассасывания неосновных носителей в базе. Для уменьшения времени необходимо не допускать режим насыщения. Для этого служит диод Шотки.

[4] Интегральные диоды

В качестве диодов используются эмиттерные и коллекторные переходы транзисторов.

[5] Интегральные стабилитроны

Используется эмиттерный переход транзистора /=6В/ или следующая структура:

[6] Резисторы

Или ёмкость p-n-перехода или следующая структура:

[7] ПИНЧ-резистор /сжатый/

Имеет нелинейную ВАХ. Сходство с полевым транзистором.

Тема 4 – Усилительные устройства

§4.1 Основные характеристики и параметры усилителей

В электронике усилителем называют устройство, предназначен­ное для увеличения мощности электрических сигналов. Увеличение мощности сигнала в усилителях происходит за счет энергии источни­ка питания. С позиции теории электрических цепей усилитель пред­ставляет собой управляемый источник (рис.1), выходная мощность которого превышает входную.

Основные параметры усилителя:

• коэффициент усиления по напряжению

• коэффициент усиления по току

• коэффициент усиления по мощности

• входное сопротивление

• выходное сопротивление

где,

U_ВХ – напряжение на входе усилителя;

U_ВЫХ – напряжение на выходе усилителя;

I_ВХ – входной ток усилителя;

I_ВЫХ – выходной ток усилителя;

P_ВХ – входная мощность усилителя;

P_ВЫХ – выходная мощность усилителя;

U_ВЫХ(R_Н=∞) – напряжение на выходе усилителя в режиме холостого хода;

U_ВЫХ(R_Н) – напряжение на выходе усилителя при заданном со­противлении

               нагрузки R_Н ≠ ∞;

I_ВЫХ(R_Н) – выходной ток усилителя при заданном сопротивле­нии нагрузки R_Н≠∞.

В реальных усилителях указанные параметры являются ком­плексными величинами и зависят от частоты f. Зависимость модуля комплексной величины от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой. Зависимость аргумента комплексной величины от частоты называют фазочастотной характеристикой.

В усилителях наибольший интерес представляют амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики коэффициента усиления по напряжению соответственно K_U(f) и φ(f). В идеальном усилителе (т.е. в усилителе, не вносящим искажения в усиливаемый сигнал) модуль коэффициента усиления по напряжению должен оставаться постоянным во всем диапазоне частот от нуля до бесконечности, а фазочастотная характеристика должна иметь вид прямой линии (рис. 2). В реальных усилителях диапазон рабочих частот ог­раничен сверху или снизу.

В зависимости от вида амплитудно-частотной харак­теристики (рис. 3) различают:

• усилители постоянного тока (УПТ)

• усилители   переменного тока

• избирательные усили­тели

Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) усилителя постоянного тока простирается от 0 до f_B, на которой коэффици­ент усиления уменьшается в √2 раз по сравнению с коэффициентом усиления в области средних частот:

Частоту f_В называют верхней граничной частотой усилителя.

В усилителях переменного тока полоса пропускания ограничена как сверху, так и снизу. Частоту f_В, на которой K_U(f_Н)=0,707 K_U(f_CP), называют нижней граничной частотой усилителя.

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики усилителей

Избирательные усилители усиливают сигналы лишь в узкой по­лосе частот, что достигается с помощью RC- или LC-цепей. В послед­нем случае избирательные усилители называют резонансными.

Вследствие неидеальности амплитудно-частотной характеристи­ки амплитудные соотношения спектральных составляющих сигнала на выходе и входе усилителя будут отличаться. Изменения формы негармонического сигнала, вызванные этой причиной, называют час­тотными искажениями.

Неидеальность (нелинейность) фазочастотной характеристики приводит к изменению фазовых соотношений спектральных состав­ляющих в выходном сигнале усилителя. Вызываемые этой причиной изменение формы негармонического колебания называют фазовыми искажениями.

Для частотных и фазовых искажений используют также обоб­щающий термин - линейные искажения, поскольку они присущи линейным цепям, содержащим реактивные элементы. Отметим, что линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения спектральных составляющих сигнала, но не изменяют спектральный состав сигнала. Линейные искажения приводят к изменению формы сложных сигналов, но не изменяют форму гармонического колебания.

Для оценки линейных искажений, возникающих при передачи импульсных сигналов, используется переходная характеристика усилителя.

Переходная характеристика в идеальном усилителе.

В реальных усилителях переходная характеристика имеет апериодический или колебательный характер.

§4.2 Нелинейные искажения в усилителях

Реальные усилители вносят также нелинейные искажения, причинами которых является применение нелинейных элементов в составе усилителя.

;

 - состояние покоя /нет сигнала/

Нелинейные искажения приводят к появлению новых спектральных составляющих в выходном сигнале.

При линейных искажениях новых гармоник в спектре выходного сигнала не появляется.

Нелинейные искажения зависят от амплитуды колебаний /чем выше амплитуда, тем больше искажение/

Количественно нелинейное искажение оценивают коэффициентом гармоник

 - мощность -ой гармоники

у аппаратуры среднего класса - %

у аппаратуры высокого класса - %

у аппаратуры супервысокого класса - % и меньше

Одной из основных характеристик усилителя является амплитудная характеристика - зависимость амплитуды напряжения 1-ой гармоники выходного напряжения от амплитуды входного гармонического колебания.

Динамический диапазон усилителя:

;

§4.3 Обратная связь в усилителях: классификация

Обратная связь – передача сигнала с выхода устройства на его вход.

Усилитель, охваченный обратной связью можно представить в виде следующей структурной схемы:

1 – собственный усилитель

2 – канал обратной связи /КОС/

3 – геометрическое суммирование сигналов источника и

    обратной связи

Если ОС охватывает усилитель в целом, то её называют общей, если – часть, то её называют местной.

1 и 2 образуют петлю обратной связи.

Если 1,2 образуют замкнутую петлю по постоянному току, то такая обратная связь называется обратной связью по постоянному току.

Если 1,2 образуют замкнутую петлю по переменному току, то такая обратная связь называется обратной связью по переменному току.

Если 1,2 образуют замкнутую петлю по постоянному и переменному току, то такая обратная связь называется обратной связью по постоянному и переменному току.

Обратная связь называется паразитной, если КОС образован паразитными связями между элементами.

Обратная связь называется частотнонезависимой, если КОС образован не зависит от частоты, иначе – частотнозависимым.

Обратная связь называется положительной, если сигнал источника и канал ОС /КОС/ суммируются.

Обратная связь называется отрицательной, если сигнал источника и канал ОС /КОС/ вычитаются.

Под положительной ОС понимают, когда фазовый сдвиг между сигналом источника и КОС близок к нулю. /в переменном токе/.

Под отрицательной ОС понимают, когда разность фаз сигнала источника и КОС близка к p.

В общем случаи ОС носит комплексный характер.

В зависимости от того, как снимается сигнал ОС с выхода усилителя, различают:

1) ОС по напряжению, когда сигнал ОС пропорционален выходному напряжению усилителя

2) ОС по току, когда сигнал ОС пропорционален сигналу выходного тока усилителя

3) Смешанная ОС, когда часть ОС пропорциональна выходному напряжению, а часть – току усилителя

В зависимости от того, как вводится ОС во входную цепь усилителя, различают:

1) последовательную ОС, когда суммируются напряжения источника сигнала и КОСа

2) параллельную ОС, когда на входе усилителя суммируются токи источника сигнала и КОС

§4.4 Влияние обратной связи на параметры усилителя

 - коэффициент передачи канала связи

Коэффициент усилителя не охваченного ОС:

Коэффициент усилителя охваченного ОС:

;

;;

усиление – петлевое усиление

1- – глубина ОС, фактор ОС, возвратная разность.

усилитель самовозбудится, превратится в генератор

Если  выполняется на одной частоте, то возникшие колебания – гармонические. Если это условие выполняется в полосе частот, то – негармонические.

Чем шире полоса частот, в которой выполняется этот условие, тем ближе колебания по форме к прямоугольным.

Если этот условие выполняется при постоянном токе, то  возникает триггерный эффект /усилитель превращается в триггер/.

При глубокой отрицательной ОС единицей в знаменатели можно пренебречь Þ - это используется для стабилизации

Канал ОС – обычно пассивные элементы Þ они стабильны и  стабилен.

;

;

[1] Влияние последовательной ООС на входное сопротивление усилителя.

; U_c=U_вх(1+gK_u); ; =z_вх(1+gK_U).

=z_вх(1+gK_U)

Этот тип ООС увеличивает входное сопротивление z_вх.

[2] Влияние последовательной ООС на выходное сопротивление усилителя.

;;;

; ;

У идеального усилителя входное сопротивление должно быть больше, а выходное меньше.

Последовательная ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя в (1+gК_U) раз.

коэффициент гармоник

Рассмотренная ООС расширяет полосу пропускания.

1. ООС во всех случаях:

· Уменьшает коэффициент усиления, повышает его стабильность

· Расширяет полосу пропускания

· Уменьшает нелинейные искажения

2. Последовательная ООС:

· Увеличивает входное сопротивление

   Параллельная ООС:

· Уменьшает входное сопротивление

      Независимо от способа снятия сигнала ОС с выхода усилителя.

3. ООС по напряжению уменьшает  усилителя

    ООС по току увеличивает  усилителя

     Независимо от способа введения сигнала во входную цепь.

§4.5 Усилители на биполярных транзисторах. Выбор режима работы

.

R₁ задает режим работы транзистора по постоянному току.

С₁, С₂ – разделительные или переходные конденсаторы.

Выбор режима работы по постоянному току.

Выходная статическая характеристика в схеме с общим эмиттером.

Р_к=U_кэ*I_к;

I_k=P_k.max/U_кэ;

;

j=arctg 1/R_k, - нагрузочная прямая по постоянному току, на ней находится раб точка

Все эти рассуждения применительно, если R_H=¥.

j_n=arctg1/(R_K||R_H)=arctg(R_K+R_H)/( R_K*R_H)

; ; ; ;

§4.5 Стабилизация режима работы каскадов на биполярных транзисторах

1) Схема с фиксированным током базы

; ; ; ;

2) Схема с фиксированным током базы

Для каждого транзистора нужен свой резистор.

Эта схема имеет неудовлетворительную температурную стабильность  непригодна в промышленной аппаратуре.

3) Схема стабилизации рабочей точки с обратной связью

При включении  возрастает ;

С уменьшением  - уменьшается , т.е. в схеме имеются противодействия

Чем выше сопротивление цепи усилителя и выше , тем больше увеличивается стабильность. Надо убрать переменную составляющую , для этого надо в цепь подсоединить конденсатор большой ёмкости.

4) Схема с эмиттерной стабилизацией

- для максимального коэффициента усиления

5) Схема стабилизации режима работы транзистора с ОС по напряжению коллектора

;

Связь между коллектором и базой обеспечивает стабилизацию режима работы.

Коэффициент по усилению тока будет максимально высоким.

Схема с фильтром в цепи питания.

Стабилизация раб. точки.

Отрицательная О.С. по переменному току убирается С_ф.

Каскад с общей базой /КОБ/

Каскад с общим коллектором /КОК/ - /эмиттерный повторитель/

КОБ:

Конденсатор  заземляет базу по переменному току. Сигнал через  подаётся на эмиттер.

, коэффициент передачи по току

КОБ плохо согласуются между собой

КОК:

»1/g; »1;

100% обратная связь.

На входе получим:

Без буферного каскада – 1В;

С буферным каскадом в 100 раз больше.

Коэффициент усиления по напряжению:

· у каскадов с общим эмиттером и общей базой соизмеримы />>1/

· у каскада с общим коллектором <1

Коэффициент усиления по току:

· в схеме с общей базой <1

· в схеме с общим эмиттером и общим коллектором >>1

Коэффициент усиления по мощности максимален в схеме с общим эмиттером >>1

Минимальное выходное сопротивление у каскада  с общей базой, выше у каскада с общим эмиттером, максимально у каскада с общим коллектором.

Выходное сопротивление в схеме с общей базой и общим эмиттером приблизительно равно сопротивлению в цепи в схеме с общим коллектором.

§4.6 Дифференциальные каскады /ДК/

Каскад имеет несимметричный вход, если одна из баз по переменному току заземлена; симметричный – если ни одна из баз не заземлена. То же для выходного сигнала.

 и  не обязательно равны

Принцип действия основан на симметрии.

Схема симметрична:

1) R_K1=R_K2=R_K

2) Равенство параметров транзисторов

(1) Пусть U_ВХ1=U_ВХ2=0 Þэмиттерные переходы включены параллельно.

I_RЭ=(E₂-U_БЭ)/R_Э, U_БЭ1=U_БЭ2=U_БЭ.

I_Э1=I_Э2=(E₂-U_БЭ)/2R_Э; I_K1=I_K2=a×[(E₂-U_БЭ)/2R_Э];

a×R_K×[(E₂-U_БЭ)/2R_Э]=E₁/2;

;

Если E₁=E₂, то R_K »R_Э,

U_ВЫХ= U_ВЫХ.1- U_ВЫХ.2=0

Усилитель представляет собой сбалансированный мост.

Изменение выход. напряжения в усилители с течением времени или под действием стабилизирующих факторов при U_ВХОД=0 называется дрейфом нуля.

(2) Подадим на вход усилителя равные по величине и одного знака напряжения /синфазны/.

I_Б – увеличится; I_K – увеличится; напряжение на коллекторе уменьшится; U_ВХОД=0 Þ дифференциальный каскад на синфазные напряжения не реагирует.

Подадим на вход дифференциального каскада  равные по модулю, но противоположные по знаку напряжения. (U_ВХ1>0, U_BX2>0, |U_BX1|=|U_BX2|).

DI_Б1>0, DI_Б2<0; DI_K1>0, DI_K2<0; DU_КЭ.1<0, DU_КЭ2>0.

U_ВЫХ=DU_ВЫХ.1-DU_ВЫХ.2=-R_KDI_K1-R_KDI_K2=-2DI_K2R_K;

Дифференциальный каскад реагирует на разное входное напряжение.

Если источник подключен между базами, а его средняя точка заземлена, то каскад имеет симметричный вход.

Переменный ток. По проводу ни чего не протекает. Провод можно убрать.

Постоянный ток. При убирании провода режим работы будет нарушен. Нужно применить дополнит. меры.

Если источник сигнала подключить между базами транзистора и одна из них    соединена с общим проводом – схема имеет не симметричный вход.

Выход так же м.б. симметричным или нет.

Если выходное напряжение снимаем с одного из коллекторов транзистора, то выход несимметричен.

Качества дифференциального каскада оценивают коэффициентом ослабления синфазного сигнала:

К_ООС=К_Д/К_С; К_ООС>>1.

K_OOC »R_Э/r_ВХ.ОБ.(ОБ –в схеме с общей базой)

§4.7 Источники тока

В качестве источника тока в электронике обычно используются токовые зеркала.

Транзисторы должны быть с одинаковыми параметрами.

 -

Входные каскады работают в режиме микротоков.

Токовые зеркала используются в ЦАП:

Используются двоично взвешенные токи, формируемые токовыми зеркалами.

Эта схема имеет симметричный выход. Зеркало с VT5, VT6 включается для увеличения

§4.8 Операционные усилители: характеристики и параметры

Под операционным усилителем в микроэлектронике понима­ют реализованный в виде микросхемы усилитель постоянного тока, имеющий:

• высокий коэффициент усиления по напряжению
• высокое входное сопротивление;
• низкое выходное сопротивление.

Операционный усилитель имеет дифференциальный вход и не­симметричный выход (рис. 1). Входные и выходные сигналы отсчиты­ваются относительно общего провода, который на схемах иногда не показывают. Операционные усилители предназначены для работы с глубокой отрицательной обратной связью и вначале применялись в

аналоговых ЭВМ, где в зави­симости от цепей обратной связи они выполняли разно­образные математические операции (сложение, вычи­тание, умножение, деление, логарифмирование, диффе­ренцирование, интегрирова­ние и т.д.), откуда и произо­шел термин "операционный усилитель".

Первые операционные усилители были ламповыми и представля­ли собой весьма громоздкие и дорогие устройства. В настоящее время высококачественные операционные усилители выпускают в виде мик­росхем, цена которых соизмерима с ценой отдельного транзистора, что существенно расширило их область применения. Сочетание высо­ких электрических параметров с малыми габаритами, высокой надеж­ностью и низкой ценой сделало операционный усилитель основным активным элементом аналоговой схемотехники.

Операционные усилители содержат обычно два или три каскада усиления (рис. 2). Первый каскад (ДУ) обязательно собран по схеме дифференциального усилителя, чем обеспечивается подавление син­фазной помехи и уменьшение дрейфа нуля. С целью повышения вход­ного сопротивления во входном каскаде используют режим микрото­ков, составные транзисторы (схема Дарлингтона), супербетатранзисторы со статическим коэффициентом передачи тока базы β=10³÷10⁴, полевые транзисторы. Входной каскад, как правило, содержит цепи балансировки усилителя, предназначенные для устранения смещения нуля. Второй каскад (УН) обеспечивает основное усиление по напря­жению и представляет собой обычно дифференциальный усилитель с

несимметричным вы­ ходом. Усилитель мощности (УМ) чаще всего содержит схему сдвига уровня напря­жения и выходной каскад, собранный по двухтактной бестрансформаторной схеме. Недостатком трехкаскадных операционных усилителей являет­ся склонность к самовозбуждению и невысокая скорость нарастания выходного сигнала.

Операционные усилители более поздних разработок, как правило, выполнены по двухкаскадной схеме (отсутствует усилитель напряже­ния УН). Для увеличения коэффициента усиления во входном каскаде используется динамическая нагрузка в виде токового зеркала, а в вы­ходном - каскад сдвига уровня напряжения, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

Рассмотрим передаточную характеристику операционного усили­теля (рис. 3), которая представляет собой зависимость выходного на­пряжения U_ВЫХ от входного напряжения U_ВХ при несимметричном входе. В зависимости от того, какой вход соединяется с общим прово­дом, а на какой вход подается входное напряжение, различают пере­даточную характеристику при инвертирующем включении операци­онного усилителя и пере­даточную характеристику при неинвертирующем включении операционно­го усилителя.

При малых входных напряжениях U_BX переда­точные характеристики линейны, затем рост вы­ходного напряжения U_ВЫХ замедляется, а потом и вовсе прекращается. Мак­симальное положительное напряжение +U_{ВЫХ.МАКС} и максимальное отрицательное напряжение –U_{ВЫХ.МАКС} обычно несколько меньше соответствующих напряжений питания (E₁, и E₂).

Напряжения +_{UВЫХ.МАКС} и –U_{ВЫХ.МАКС} зависят от сопротивления нагрузки операционного усилителя: чем меньше со­противление нагрузки, тем ниже будут указанные напряжения. Пере­даточные характеристики проходят через начало координат, если опе­рационный усилитель сбалансирован (см. рис. 3). Если балансировка не проводилась, то передаточные характеристики будут пересекаться при ненулевом напряжении на выходе (рис. 4).

Основные параметры операционных усилителей:

•     коэффициент усиления   по   напряжению  К_U.

Определяется наклоном линейного участка переда­точной характеристики и равен от­ношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это при­ращение входному напряжению. На практике К_и лежит в пределах от не­скольких тысяч до нескольких мил­лионов;

• напряжение смещения U_CM -напряжение, которое необходимо подать на вход операционного усилителя, чтобы его выходное на­пряжение стало равным нулю (рис. 4). На практике U_СМ лежит в пределах от нескольких микровольт до десятков милливольт;

• максимальное  выходное  напряжение   U_{ВЫХ.МАКС} -  Различают максимальное положительное напряжение  +U_{ВЫХ.МАКС} и макси­мальное отрицательное напряжение –U_{ВЫХ.МАКС}, которые в общем случае не равны (см. рис.3). Напряжения + U_{ВЫХ.МАКС} и – U_{ВЫХ.МАКС} нормируются при оговоренных значениях напряжения питания, сопротивлении нагрузки и входного напряжения;

• коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ОС.СФ - от­ношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Обычно выражается в децибелах;

• входной ток I_ВХ - для дифференциального операционного усилителя определяется как среднее арифметическое значение токов ин­вертирующего входа I_ВХ.И и неинвертирующего входа I_ВХ.Н;

• разность входных токов ∆I_ВХ = I_ВН.Н – I_ВХ.И;

• предельный выходной ток I_{ВЫХ.МАКС} - максимальное значение выходного тока при оговоренном выходном напряжении, не вызы­вающее необратимых изменений в операционном усилителе;

• предельное входное напряжение U_{ВХ.МАКС} - максимальное зна­чение входного напряжения, не вызывающее необратимых измене­ний в операционном усилителе;

• предельное синфазное входное напряжение U_{ВХ.СФ.МАКС} – мак­симальное значение синфазного входного напряжения, не вызы­вающее необратимых изменений в операционном усилителе;

• частота единичного усиления f₁ - частота, на которой модуль коэффициента усиления операционного усилителя падает до еди­ницы. Частота единичного усиления f₁ характеризует быстродейст­вие операционного усилителя в режиме малого сигнала;

• скорость нарастания выходного напряжения V_{Uвых.макс} – от­ношение изменения выходного напряжения U_ВЫХ от 10 до 90 % от установившегося значения ко времени, за которое это изменение произошло. Характеризует быстродействие операционного усили­теля в режиме большого сигнала. Измеряется при отрицательной обратной связи с общим коэффициентом усиления по напряжению от 1 до 10.

При анализе схем реальные операционные усилители заменяют их идеализированными моделями, в частности, идеальным опера­ционным усилителем, под которым понимают усилитель, отве­чающий следующим требованиям:

• коэффициент усиления по напряжению K_U = ∞;

• входное сопротивление r_ВХ = ∞;

• выходное сопротивление r_ВЫХ = 0;

• напряжение смещения U_СМ = 0;

• коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ОС.СФ = ∞;

• входные токи I_ВХ = 0;

• коэффициент усиления по напряжению не зависит от частоты, т.е. полоса пропускания простирается от 0 до ∞;

• времена задержки, нарастания и спада равны нулю;

• диапазон входных напряжений неограничен;

• диапазон выходных напряжений неограничен;

• выходной ток неограничен;

• нелинейные искажения отсутствуют;

• внутри усилителя нет источников шума.

§4.9 Линейные схемы на операционных усилителях

  Рассмотрим инвертирующий усилитель (рис. 1). В этой схеме имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряже­нию. Найдем коэффициент усиления по напряжению. Полагая опера­ционный усилитель идеаль­ным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:

i_ВХ + i_ОС = 0

Поскольку неинверти­рующий вход операционного усилителя имеет нулевой по­тенциал, то и инвертирующий вход также будет иметь нуле­вой потенциал, хотя он и не

заземлен. Говорят, что инвертирующий вход является точкой вирту­ального (кажущегося) нуля. Тогда

Отсюда находим

Мы полагали, что входные токи операционного усилителя равны нулю. В реальных операционных усилителях входные токи малы, но нулю не равны. Оценим влияние входных токов на работу усилителя. Пусть u_ВХ = 0. Для входного тока операционного усилителя I_ВХ.И и рези­сторы R₁ и R₂ включены параллельно. Ток I_ВХ.И создаст на них паде­ние напряжения

U_ВХ.И = I_ВХ.И(R₁ || R₂).

Это напряжение будет усилено операционным усилителем, т.е. входной ток I_ВХ.И приводит к разбалансировке операционного усили­теля. Чтобы уменьшить влияние входных токов в цепь неинверти­рующего входа включают компенсирующий резистор R_К = R₁ || R₂ (рис. 2). Тогда ток I_ВХ.И создаст на резисторе R_K падение напряжения U_ВХ.Н = I_ВХ.НR_К.

Дифференциальное напря­жение на входе операционного усилителя

Если разность входных то­ков ∆I_ВХ = 0, то Uвх = 0, т. е. в схеме будет иметь место полная компенсация входных токов.

Реально ∆I_ВХ = (0,1 ÷ 0,2)I_ВХ. Тогда введение R_K уменьшает разбалансировку усилителя в 5÷10 раз.

На основе инвертирующего включения операционного усилителя может быть построен аналоговый сумматор (рис. 3). Найдем зависимость

выходного на­пряжения аналогового сумматора u_ВЫХ от входных напряжений u_ВХ1, u_ВХ2, u_ВХ3, пола­гая операционный уси­литель идеальным. Со­гласно первому закону Кирхгофа

i_ВХ1 + i_ВХ2 + i_ВХ3 + i_ОС = 0

Принимая во внимание, что инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, получим

Отсюда

Если R₁ = R₂ = R₃ = R, то

Из последних соотношений следует, что схема рис. 3 выполняет математическую операцию суммирования, при этом масштабный ко­эффициент может быть единичным, может быть неединичным и мо­жет быть индивидуальным по каждому из входов.

Сопротивление компенсирующего резистора в схеме рис. 3 может быть определено из соотношения Очевидно, что аналоговый сумматор может иметь произвольное количество входов.

Инвертирующее включение операционного усилителя использу­ется также в преобразователе ток - напряжение (рис. 4). Найдем зависимость выходного напряжения преобразователя u_ВЫХ от входно­го тока I_ВХ.

На основании первого закона Кирхгофа при условии, что опера­ционный усилитель идеальный, запишем:

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя яв­ляется точкой виртуального нуля, то

Разрешив последнее уравнение относительно u_ВЫХ, получим

откуда следует, что выходное напряжение u_ВЫХ преобразователя про­порционально входному току i_ВХ. Сопротивление компенсирующего резистора R_K должно равняться сопротивлению резистора R в цепи обратной связи (рис. 4). Рассмотренный преобразователь ток-напряжение широко используется в составе цифро-аналоговых преоб­разователей.

На основе инвертирующего включения операционного усилителя может быть построен преобразователь напряжение - ток (рис. 5). Найдем зависимость выходного тока преобразователя i_ВЫХ от входного напряжения u_ВЫХ.

Согласно первому закону Кирхгофа, полагая операционный усилитель идеальным, можно за­писать:

i_ВХ + i_ОС = 0

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, то

Из последнего соотношения находим:

т.е. выходной ток преобразователя i_ВЫХ пропорционален входному напряжению u_ВХ.

В схеме рис. 5 ни один из выводов нагрузки R_H не заземлен. В этом случае говорят, что преобразователь имеет незаземленную на­грузку. Сопротивление компенсирующего резистора R_K = R || R_H.

Рассмотрим неинвертирующий усилитель (рис. 6). В этой схеме имеет место последовательная отрицательная обратная связь по напряжению, которая увеличивает входное сопротивление и уменьша­ет выходное сопротивление усилителя. Найдем коэффициент усиле­ния по напряжению. Если на неинвертирующий вход подано напряжение

u_ВХ.Н = u_ВХ, то и на инвер­тирующем входе установится то же самое напряжение: u_ВХ.И = u_ВХ, т.е.

Если R2 = 0, а R1 = ∞, то K_U = 1. Такую схему называют повторителем напряжения (рис.7).

Неинвертирующий усилитель хуже инвертирующего, так как операционный усилитель работает в нем с большим син­фазным напряжением (u_ВХ.СФ = u_ВХ).

Рассмотрим дифференциальное включение операционного усилителя, которое представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего включений (рис. 8). При дифференциаль­ном включении операционного усилителя выходное напряжение про­порционально разности напряжений u_ВХ2 и u_ВХ1 на его входах.

Используя метод суперпозиции (наложения), находим выходное напряжение усилителя как сумму откликов на воздействия u_ВХ1 и u_ВХ2:

Отсюда видно, что опера­ционный усилитель в дифференциальном включении осуществляет математиче­скую операцию вычитания.

Входное сопротивление по инвертирующему входу r_ВХ1 = R₁. Входное сопротивление по неинвертирующему входу r_ВХ2 = R₃ + R₄, т.е. входные сопротивления неодинаковы: r_ВХ2 > r_ВХ1. Это нарушает сим­метрию усилителя. Еще одним недостатком рассмотренной схемы яв­ляется работа операционного усилителя при больших синфазных на­пряжениях. Существуют схемы дифференциальных усилителей, сво­бодные от указанных недостатков схемы рис. 8, но они содержат два или три операционных усилителя.

Рассмотрим интегрирующий усилитель (рис. 9). Полагая опе­рационный усилитель идеальным, на основании первого закона Кирх­гофа запишем:

Поскольку неинверти­рующий вход операционного усилителя имеет нулевой по­тенциал, то инвертирующий вход будет точкой виртуаль­ного нуля. Тогда

После интегрирования последнего уравнения получим:

Отсюда следует, что рассмотренная схема осуществляет матема­тическую операцию интегрирования.

Поскольку амплитудно-частотная характеристика интегрирующе­го усилителя имеет завал в области высоких частот, то он устойчив к самовозбуждению.

Рассмотрим дифференцирующий усилитель (рис. 10). Пола­гая операционный усилитель идеальным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:

Лекция "38 Поминовение усопших в православной церкви" также может быть Вам полезна.

i_ВХ + i_ОС = 0.

Принимая во внимание, что инвертирующий вход будет точкой виртуального нуля, получим

т.е. рассмотренная схема осу­ществляет математическую
операцию дифференцирования.

На практике избегают применения дифференцирующего усилите­ля из-за его склонности к самовозбуждению, что является следствием подъема амплитудно-частотной характеристики в области высоких частот.

В схемах рис. 9 и рис. 10 в цепи неинвертирующего входа также может быть включен компенсирующий резистор, сопротивление ко­торого R_K = R.