Лекции

Интегральные микросхемы

121

1.14.5. Обозначение интегральных микросхем

Система обозначений ИМС в соответствии с ГОСТ 18682-73 состоит из следующих элементов. Первый – цифра, обозначающая технологический (или групповой) признак схемы (1, 5, 7 – полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 – гибридные; 3 – пленочные, вакуумные и др.). Второй элемент – двузначное число, обозначающее порядковый номер разработки серии (от 0 до 99). Третий элемент – две буквы, обозначающие функциональное назначение (ЛИ – операция «И», ЛЛ – операция «ИЛИ», ЛН – операция «НЕ», УН – усилитель низкой частоты, УИ – усилитель импульсный, УД – усилитель операционный и дифференциальный) и т.д. Четвертый элемент – порядковый номер разработки по функциональному признаку в данной серии. Возможен пятый элемент для уточнения параметров схемы. А впереди обозначения для микросхем широкого назначения ставится буква К.

Примеры: К121ЛБ2 – полупроводниковая логическая схема «И-НЕ ИЛИ-НЕ» из серии К121, порядковый номер разработки серии – второй.

К140УД14А – широкого применения полупроводниковая микросхема порядкового номера 40, операционный усилитель, 14 – порядковый номер операционного усилителя в серии 140, А – с коэффициентом усиления определенного значения.

2.ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

2.1.КРАТКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

Усилителями называют устройства, в которых малые изменения входной величины приводят к значительно большим изменениям выходной величины. Одним из наиболее распространенных являются электронные усилители, которые отличаются высокой чувствительностью (могут усиливать напряжения в 10-6–10-7 В и токи порядка 10-14–10-16А), широким диапазоном частот усиливаемых сигналов (от долей герц до сотен и тысяч мегагерц), небольшими габаритами и весом, экономичностью и надежностью.

В зависимости от назначения усилители делятся на усилители напряжения, тока, мощности. Хотя в каждом из этих усилителей происходит увеличение мощности усиленного сигнала, такая классификация удобна для различения электрических величин, которые главным образом усиливаются в тех или иных усилителях.

По частотному диапазону все усилители делятся на: усилители постоянного тока (для частот от долей герц до десятков и сотен килогерц), усилители низкой частоты (звуковой диапазон от 10 Гц до 20 кГц), широкополосные усилители (для сигналов, спектр которых лежит от единиц герц до десятков мегагерц), избирательные (резонансные) для усиления в узком диапазоне частот.

2.2.ОДНОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Биполярные транзисторы обладают рядом особенностей, которые необходимо учитывать при построении усилителей. Первое – малое входное сопротивление, что говорит о том, что транзистор управляется током, а не напряжением; второе – малое входное сопротивление влечет заметное потребление мощности входной цепью от источника усиливаемых колебаний, поэтому основное значение имеет не коэффициент усиления по напряжению, а коэффициент усиления по мощности Кр, определяющий соотношение по-

Однокаскадные усилители на биполярных транзисторах

123

лезной мощности в нагрузке и мощности, затрачиваемой на входном сопротивлении усилителя; третье – входная и выходная цепи транзистора связаны по постоянному току; четвертое – параметры и характеристики транзистора зависят от режима работы и температуры; пятое – коэффициент усиления транзистора по току сильно зависит от частоты в связи с инерционностью процессов в транзисторах.

В соответствии с известными тремя схемами включения транзисторов различают следующие каскады усиления: а – с общим эмиттером (ОЭ); б – с общей базой (ОБ); в – с общим коллектором (ОК). Соответствующие схемы показаны на рисунке 2.1.

Eк

–

Eк

–-

Eк

Rк

–

Rк

RГ

+

RГ

+

+

Rб=RГ

еГ

еГ

еГ

Rэ

–

+

+

-

–

+

Eб

Eэ

Eб

в)

а)

б)

Рис. 2.1

Наиболее распространенными на практике являются усилители с ОЭ, т.к. они обеспечивают усиление как по напряжению, так и по току в отличие от схемы с ОБ, которая дает усиление по напряжению, или схемы с ОК, дающей усиление только по току.

Расчет усилителя начинают с определения его режима покоя, т.е. выбора рабочей точки транзистора, характеризующейся током коллектора IКП и напряжением UКП в отсутствие входных сигналов. Обеспечение требуемого режима работы производится с помощью тех или иных схемных решений. Простейшим из этих решений является схема с фиксированным базовым током. Соответствующая схема усилителя с ОЭ показана на рисунке 2.2, причем в отличие от схемы, приведенной на рисунке 2.1, а, здесь используется один источник питания, что более удобно на практике.

124	Электронные усилители

							-Eк
Iб				Rб			Rк				C
	C

RГ

еГ

Рис. 2.2

Ток покоя базы IбП в приведенной схеме определяется сопротивлением Rб, которое определяется таким выражением:

Rб ЕК UбЭП ,

IбП

т. к. UбЭП EК , то Rб ЕК IбП . Таким образом, в данной схеме ток базы в режиме покоя IбП не зависит от параметров транзистора, поэтому эта схема и называется схемой с фиксированным базовым током. Применяется она при малых колебаниях температуры ок-

ружающей среды. С ростом температуры растет тепловой ток IК* 0, что увеличивает ток коллектора в режиме покоя IКП. Этот фактор, с учетом того, что имеется еще зависимость коэффициента передачи от температуры, приводит к заметному смещению рабочей точки А. На рисунке 2.3 показано изменение рабочей точки при изменении температуры на выходных характеристиках, где построена линия нагрузки по выражению EК IКПRК UКП по 2-м

точкам: IКП 0, UКП ЕК (холостой ход) и UКП 0, IКП =ЕК /RК (короткое замыкание). С ростом температуры характеристики перемещаются в сторону больших токов (пунктир) и режим работы определяется новой точкой А', где нелинейные искажения будут существенно больше.

Более совершенной в этом смысле является схема обеспечения режима покоя с обратной связью по напряжению (рис. 2.4).

Однокаскадные усилители на биполярных транзисторах

125

Iк

А'

А''

IкП А

0

Рис. 2.3

Iб6

Iб5Iб3

Iб4 Iб2 Iб3=IбП

Iб2

Iб1

Uк

Чтобы уменьшить изменение положения рабочей точки А в зависимости от температуры сопротивление Rб, определяющее ток покоя базы, включено между базой и коллектором. С ростом теплового тока IК*0 при повышении температуры растет ток покоя коллектора IКП, а значит, и падение напряжения на сопротивлении RК .

-Eк

Rб RК

C

Рис. 2.4

При постоянном EК в этом случае должно уменьшиться UКП , а следовательно, уменьшится IбП. Уменьшение IбП приведет к тому, что рабочая точка из положения А переместится не в точку А', а в точку А" (см. рис. 2.3). Требуемое значение Rб определится из выражения

Rб UKП UбП UКП ,

IбП IбП

126	Электронные усилители

где Rб – фактически сопротивление отрицательной обратной связи по напряжению.

Эффективность термостабилизации тем выше, чем выше RК , т. е. требуемое изменение тока IбП обеспечивается сопротивлением RК . Действительно, если температура растет, то растет URк , следовательно, падение напряжения на транзисторе UКП уменьшается, уменьшается и ток базы покоя IбП.

Другой распространенной схемой, обеспечивающей термостабилизацию режима покоя транзистора, является схема с обратной связью по току (рис. 2.5).

Rк

R1

IкП

-Eк

IбП

C

Iдел

-Uвх

R2

Rэ

Cэ

Рис. 2.5

Функции цепи, обеспечивающей требуемое положение рабочей точки в режиме покоя, выполняет делитель R1, R2, а коррекцию осуществляет эмиттерное сопротивление RЭ , зашунтированное по переменному току емкостью СЭ. С ростом теплового тока I*К0 растет и ток покоя эмиттера IЭП . Падение напряжения на RЭ тоже растет и приводит к смещению потенциала базы в сторону запирания, а следовательно, к уменьшению тока IбП и тока IКП, т.к. IКП 0IбП . Емкость СЭ исключает обратную связь по переменному току. Требуемый ток IбП обеспечивается сопротивлением RЭ и цепью смещения R1, R2, которые выбираются небольшими, чтобы потенциал базы меньше зависел от тока базы. Но при этом увеличивается мощность, потребляемая делителем R1, R2. Поэтому

Однокаскадные усилители на биполярных транзисторах

127

идут на компромисс и выбирают R1 и R2 величиной в единицы и десятки килоом. Сопротивление в цепи эмиттера рассчитывается

по известному току IЭП IКП IбП				и допустимому (или выбранно-
му) падению напряжения на RЭ (порядка 0,2EК ). Значения сопро-
тивлений R1 и R2	находят по следующим выражениям:
	R	EК IЭПRЭ	и R		IЭПRЭ	,
	1	IбП Iдел		2	Iдел
считая, что UбЭП	примерно равно нулю.				Ток делителя IД берется

обычно на порядок больше IбП, т. е. IД (5 10)IбП .

Выше мы рассмотрели возможные способы обеспечения требуемого режима покоя. А каким он должен быть, из каких соображений его выбирают? Ниже рассматриваются рекомендации к выбору режима покоя, а следовательно, и к положению точки покоя.

Выбор тока покоя IКП и напряжения покоя UКП производится из соображений получения высокой степени линейности усиления при минимальном потреблении мощности каскадом в режиме покоя и максимального коэффициента усиления. Пример выбора режима покоя приведен на рис. 2.6.

Iк

Iб

		B		Iбmax
кmax	~кmax	A		Iбn	t
			C		Iбn
I	I			Iбmin
	Iкmin				Uк
				Eк
	Uк
		Uк

U~кmax

а)

Iбmax Uк=const

iб

A

Iбmin

Uб

	Iбmin	Uб
	Iбэn

t

б)

Рис. 2.6

128	Электронные усилители

Участок линейного усиления на выходных характеристиках снизу ограничен минимально допустимым коллекторным током IКmin (точка С), соответствующий ему минимальный ток базы Iбmin определяется началом линейного участка входной характеристики (см. рис. 2.6, б.). Сверху этот участок ограничен током IКmax , соответствующим сгущению выходных характеристик (точка В), и максимальной мощностью рассеяния коллектора. Максимальное значение амплитуды выходного напряжения при максимальной необходимой амплитуде выходного тока I~K max может быть найдено

из выражения U~K max I~K maxRK , где RK – сопротивление нагрузки, включенное в коллекторе. Напряжение покоя коллектора UКП при полном использовании линейного участка находится по выражению: UКП U~Кmax UК , где UК – напряжение, при котором начинаются пологие участки выходных характеристик.

Ток покоя IKП , рассчитанный на максимальное значение амплитуды выходного тока, равен

IКП I~Кmax IКmin ,

где I~Кmax IКmax IКmin .

2

Диапазон линейного усиления на нагрузочной характеристике ограничен точками В и С, причем точка В должна лежать правее начала пологого участка выходных характеристик. Точка С должна лежать выше характеристики, соответствующей некоторому минимуму значения тока базы Iбmin , который находят по входным характеристикам, как ток Iбmin , который соответствует началу линейного участка характеристики.

2.3.РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЬНЫХ

КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Основными параметрами большинства усилителей являются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности, а также входные и выходные сопротивления. Если производить расчет в системе h-параметров, то выражения для соответствующих пара-

Расчет параметров усилительных каскадов на биполярных транзисторах 129

метров усилителей вне зависимости от схемы включения транзистора остаются одинаковыми, хотя получаемые значения будут, естественно, различными. Ниже рассмотрен пример расчета именно в системе h-параметров.

На рисунке 2.7 приведена эквивалентная схема усилителя с использованием системы h-параметров, где ЕГ – ЭДС генератора сигнала во входной цепи, RГ – сопротивление генератора сигнала, U2h12 – генератор напряжения, определяющий влияние выходного напряжения на входную цепь,I1h21 – генератор тока в выходной цепи, h22 – выходная проводимость транзистора, RH – сопротивление нагрузки.

		h11	A	I2
	RГ	I1
			1
	U1	U2·h12 I1·h21		U2 Rн
			h22
	EГ
		Рис. 2.7

На основе законов Кирхгофа для входной и выходной цепей могут быть записаны следующие выражения:

EГ I1 RГ h11	U	2h12	;	(2.1)
0 I1h21 U2 h22	1	RH	,	(2.2)

где I1 , I2, U1, U2 – переменные составляющие токов и напряжений транзистора.

Решая уравнения (2.1) и (2.2), получим формулы для подсчета основных параметров усилителя.

Коэффициент усиления по току представляет собой отношение переменных составляющих тока в нагрузочном сопротивлении и во входной цепи каскада. Для получения выражения коэффициента усиления по току в (2.2) вынесем за скобки RH и, учитывая, что I2 и U2 в противофазе, т.е. U2 RH I2, получим

130	Электронные усилители

0 I1h21 I2 h22RH 1 . Откуда сам коэффициент усиления по току определится выражением

K	i		I2		h21		.	(2.3)
			I		1 h
						R
		1			22	H

Входное сопротивление усилителя находится в общем случае как RBX U1I1 . Из выражения (2.1) и схемы входной цепи усили-

теля (см. рис. 2.7) очевидно, что U1 I1h11 U2h12 . Подставим в последнее выражение U2, полученное из (2.2), а именно

	U		I h	h			1		. В результате выражение для U1 получим в
		2					R
			1 21		22
							H

следующем виде:

h21h12

h11 h22 1 RH h21h12

U1 I1h11 I1

I1

.

h

1 R

h 1 R

22

H

22

H

Тогда значение входного сопротивления получим в виде

R

U1

h11 h22 1 RH h21h12

h11 h11h22 h12h21 RH

.

BX

I

1

h

1 R

1 h

R

22

H

22

H

Введя обозначение h h11h22

h12h21 , получим окончатель-

ное выражение для входного сопротивления:

R

h11 hRH

.

(2.4)

BX

1 h

R

22 H

Коэффициент усиления по напряжению находится как отношение переменных составляющих напряжения в выходной и входной цепях, т.е. Ku U2U1 . Так как U2 I2RH, а U1 I1RBX, то

Ku I2RH I1RBX KiRH /RBX .

Подставив значения RВХ и Кi из (2.3) и (2.4), получим выражение для коэффициента усиления по напряжению:

h

1 h22RH RH

h R

K

u

21

21

H

.

(2.5)

1 h R

h hR

h hR

22

H

11

H

11

H

Коэффициент усиления по напряжению относительно ЭДС

генератора сигнала

EГ

находится как

КиГ U2

EГ . Из (2.1) из-