книги / Основы радиоэлектроники
..pdfСогласно рис. 3.44 при заданном напряжении на сетке и токе сетки тле ющий разряд между анодом и като дом возникает при определенном зна чении u&t. При увеличении иа анодный ток несколько возрастает, а при уменьшении иаток iaпродолжает про текать при иа<иЛх до иая и Л2 за счет выбивания электронов из2 катода при бомбардировке катода ионами
(рис. 3.44). Такая неоднозначная, гистерезисная зависимость то ка /а от напряжения иа наблюдается и в двухэлектродных неоно вых лампах.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К ГЛАВЕ 3
1.Чем отличаются собственная и примесная электропроводимости полупро водников?
2.Опишите возникновение и свойства р-п перехода.
3.Объясните принцип работы и вольт-амперную характеристику полупрово дникового диода, а также зависимость емкости диода от напряжения.
4.Нарисуйте и объясните эквивалентную схему полупроводникового диода.
5.Какие типы полупроводниковых диодов Вы знаете?
6.Опишите устройство, принцип действия, характеристики и параметры биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.
7.Что такое управляемый генератор тока? Для чего он используется в экви валентных схемах транзисторов при слабых сигналах?
8.Получите эквивалентную схему биполярного транзистора при слабых сигналах.
9.Опишите устройство и принцип действия, характеристики и параметры полевого транзистора.
10.Получите эквивалентную схему полевого транзистора при слабых сиг
налах.
11.Нарисуйте схемы выбора рабочей точки биполярного и полевого транзис
торов.
12.Укажите классификацию и поясните принцип действия электровакуумных приборов.
13.Каковы достоинства и недостатки полупроводниковых и электровакуум ных приборов? Опишите области их применения.
14.По данным зависимостям тока базы от напряжения база-эмиттер и тока коллектора от напряжений база-эмиттер и коллектор-эмиттер найдите параметры биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.
15.По заданной зависимости тока стока от напряжений затвор-исток и стокисток найдите параметры полевого транзистора.
Г Л А В А 4
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
§ 4.1. Классификация ИМС
Усложнение современных радиоэлектронных систем, увеличе ние числа их элементов до сотен тысяч и даже до десятков миллионов привело к снижению надежности, увеличению габари тов и массы, повышению стоимости эксплуатации. Устранение этих недостатков стало возможным с внедрением интегральных микросхем (ИМС)— сложных устройств, способных реализовы вать функции преобразования и обработки сигналов, т. е. выпол няющих функциональные задачи целых блоков или узлов в ра диосистемах, ЭВМ, системах управления, измерительной технике и т. п.
Значительное большинство устройств в этих схемах обраба тывают сигналы малой мощности.
Поэтому размеры этих устройств можно резко уменьшать. Появление и быстрое совершенствование надежных, экономич ных и микроминиатюрных ИМС обусловило развитие промыш ленной электроники за последние два десятилетия. Область элек троники, занимающаяся конструированием, изготовлением, ис следованием и применением ИМС, получила название микроэлектроники.
В соответствии с ГОСТ микросхемой или ИМС называется микроэлектронное изделие с высокой плотностью упаковки элек трически соединенных элементов, выполняющее функции преоб разования и обработки сигналов и имеющее не менее 5 элементов.
ИМС делятся на две группы:
1.Аналоговые ИМС, предназначенные для преобразования
иобработки сигналов непрерывной формы. Сюда относятся усилители, детекторы, модуляторы, преобразователи и т. д.
2. Цифровые ИМС, предназначенные для |
преобразования |
и обработки импульсных цифровых сигналов. |
Сюда относятся |
триггеры, логические схемы, регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы. Эти ИМС выпускаются в большом количестве, чем аналоговые. Все ИМС выпускаются в виде серий. Относящи еся к определенной серии ИМС имеют единое конструктивно технологическое исполнение и элементную базу, предназначены для совместного применения в сложных устройствах, но могут различаться характером выполняемых функций. В состав каждой серии могут входить ИМС с различной степенью интеграции. Под степенью интеграции понимается округленный до ближай шего целого числа коэффициент К, равный десятичному логариф му от числа 7V содержащихся в ИМС элементов и компонентов
K=lgN.
Если N ~ 10, К = \. Если N< 100, степень интеграции является малой, а при N> 100— большой. ИМС четвертой и пятой степени интеграции называются большими интегральными микросхема ми (БИС). ИМС характеризуются также плотностью упаковки — количеством элементов в 1 см3 объема ИМС. При разработке ИМС стремятся выполнить следующие условия:
1.Обеспечить универсальность и многофункциональность ИМС, что приводит к избыточности (появлению дополнительных элементов) схемы и широкому использованию обратных связей.
2.Уменьшить количество технологических операций при из готовлении отдельных элементов ИМС, т. е. выполнять транзис торы, диоды, резисторы и конденсаторы одними и теми же методами.
По технологии выполнения ИМС делятся на гибридно-пле ночные и полупроводниковые.
§ 4.2. Гибридно-пленочные ИМС
Эти ИМС характеризуются тем, что в одном корпусе ИМС созданы пленочные конструкции пассивных элементов — резисто ров и конденсаторов, а к ним под паяны навесные дискретные миниа тюрные полупроводниковые элемен ты— бескорпусные транзисторы или диоды.
Рассмотрим реализацию просто го усилителя, принцип действия ко торого рассмотрен в главе 5, а схема изображена на рис. 4.1 в виде гиб ридно-пленочной ИМС (ГПИМС). Основой ГПИМС служит подложка из керамики, стекла или пластмассы с небольшой диэлектрической про
ницаемостью и высокой теплопроводимостью. На подложке формируются только пассивные элементы (резисторы, контакт
ные площадки, обкладки |
конденсаторов) |
(рис. 4.2). Различают |
тонкопленочные |
и толстопленочные ИМС. Тонкие пленки |
|
(до 1 мкм) получают путем вакуумного напыления металлов и сплавов с высоким удельным сопротивлением. Таким обра зом удается реализовать резисторы с со противлением от 10 Ом до 1 МОм.
Контактные площадки и межэлемент ные соединения выполняют из золота, ме ди, никеля или алюминия. Конденсатор
представляет собой систему металл-диэлектрик-металл. В качест ве металла обычно используют алюминий, диэлектриком служит моноокись кремния Si02, или некоторые виды стекла. Удельная емкость конденсатора не превышает 100 пф/мм2 при рабочих напряжениях в несколько десятков вольт. Тем не менее, удается реализовать большие емкости конденсаторов. Хотя тонкопленоч ная технология позволяет получить более высокую плотность размещения элементов на подложке и более жесткие допуски на номиналы резисторов и конденсаторов, однако толстые пленки толщиной 10-г -20 мкм позволяют получить более дешевые схемы и большей мощностью рассеяния (до 50 Вт), большей механиче ской прочностью, повышенной влаго- и теплоустойчивостью и большими уровнями рабочих напряжений (до 60 В) и токов (~1 А). Эти пленки образуются путем нанесения специальных паст с их последующим выжиганием. После реализации пленоч ных элементов припаиваются навесные элементы: транзисторы, диоды, катушки индуктивности и трансформаторы. Для механи ческой прочности некоторые элементы наклеиваются к подложке с помощью эпоксидного клея. С помощью гибриднопленочной технологии создаются малые серии прецизионных ИМС.
§4.3. Полупроводниковые ИМС
ВИМС этого типа все элементы и соединения выполнены
вобъеме и на поверхности полупроводника Si. Плотность упа ковки достигает 104 элементов/см3. Степень интеграции ИМС — 3 и выше. Легко выполняются диоды и транзисторы. С малой точностью (до 30%) реализуются заданные номиналы резисторов и конденсаторов. Диапазон этих номиналов ограничен: емко сти— менее 500 пф (рабочее напряжение <30 В), сопротивле ния— меньше 50 КОм. Величины сопротивлений зависят от тем пературы. Все элементы отличаются большим числом паразит-
ных параметров (сопротивлений утечки, паразитных емкостей). Биполярный транзистор в полупроводниковой ИМС занимает площадь 0,04 мм2 (0,2 х 0,2).
Определены теоретические пределы числа элементов на площади 1 мм2:104 биполярных транзисторов и 105-М0б полевых транзисторов. Полупроводни ковые ИМС выполняются на подлож ках, которые представляют собой пла стины Si—/;-типа.
При создании полупроводниковых ИМС и бескорпусных транзисторов используется ограниченное количество базовых технологических процессов. Основными из них являются: а) эпи таксиальное выращивание полупроводникового материала на кремниевой подложке; б) термическое окисление кремния для получения окисла Si02, защищающего поверхность кристалла от внешней среды; в) фотография, обеспечивающая требуемые кон фигурации пленок Si02 металла и т. д. на поверхности подложки; г) локальная диффузия — перенос примесных атомов в ограни ченные области полупроводника (в настоящее время вместо диф фузии часто используется ионная имплантация легирующего вещества путем воздействия пуска тока ионов, ускоряемых внеш ним полем); д) напыление тонких (до 1 мкм) пленок проводяще го, резистивного и диэлектрического материала; е) нанесение толстых пленок (более 1 мкм) с помощью специальных паст и их последующего выжигания.
Вкачестве примера рассмотрим технологию изготовления уси лителя, схема которого приведена на рис. 4.3. (Поскольку реализу ется бескорпусный транзистор, кружок, описывающий корпус тран зистора при схематическом обозначении, на рис. 4.3 не изображен.)
Вполупроводниковых ИМС основным и наиболее универ сальным элементом является биполярный транзистор п-р-п типа. Значения параметров интегральных транзисторов: коэффициент усиления Р= 100; граничная частота / т= 300 МГц; максимально допустимое напряжение и* = 40 В.
Полупроводниковая ИМС, составляющая схему 4.3, изобра
жена на рис. 4.4.
п-р-п
3 |
4 |
5 |
Е |
gZ2SS2S |
Si02 |
Si-p
Рис. 4.4
|
р-п-р |
С помощью диффузии или ионной |
||||
эммитербаза коллектор |
имплантации в подложке из полупро- |
|||||
|
|
водящего материала создается /2-об |
||||
|
|
ласть высокоомного Si (концентрация |
||||
|
|
донорных примесей в этих областях |
||||
|
Si-p |
мала), а также п+-область низкоом |
||||
|
ного Si (концентрация донорных при |
|||||
|
Рис. 4.5 |
месей в этой области велика). Затем на |
||||
|
поверхности подложки создается слой |
|||||
|
|
|||||
диэлектрика SiO, и пленка металла. Эта |
пленка |
и п + -область |
||||
являются обкладками конденсатора С. |
|
|
||||
Транзистор п-р-п типа реализуется путем создания /2-области |
||||||
Si, затем //-области и, наконец, п |
-области. Затем наносится слой |
|||||
|
|
диэлектрика Si02 и контактные пло |
||||
|
|
щадки. п+-область является эмиттером |
||||
3gg^ 5B ^ iig& S iO , |
транзистора, //-область — базой, а /2-об |
|||||
|
|
ласть— коллектором. Резистор выполня |
||||
|
|
ется как часть транзистора, омическим |
||||
|
S i-р |
сопротивлением обладает тонкая база. |
||||
|
|
Контактные площадки |
соединены |
|||
|
Рис. 4.6 |
с соответствующими областями полупро |
||||
|
|
водника короткими |
проводниками, ука |
|||
занными жирными линиями на рис. 4.4. |
|
|
||||
На рис. 4.5 приведена схема изготовления транзистора р-п-р |
||||||
типа |
в полупроводниковых ИМС. Два |
транзистора п-р-п и |
||||
|
|
р-п-р типа образуют комплементар |
||||
исток |
затбор сток |
ную пару (пару транзисторов разного |
||||
|
|
типа с близкими параметрами), с по |
||||
|
|
мощью |
которой |
легко |
реализуются |
|
|
п |
ИМС бестрансформаторных двухтакт |
||||
|
ных усилителей |
мощности (см. гла- |
||||
1-------------------1 Si-p |
||||||
ву 5). |
|
|
|
|||
|
Рис. 4.7 |
На рис. 4.6 приведена схема изгото |
||||
|
|
вления диода, а на рис. 4.7— полевого |
||||
транзистора с управляющим р-п переходом в полупроводнико вых ИМС. В ряде случаев используется совмещенная технология
производства ИМС: резисторы и конденсаторы |
реализуются |
|
с помощью |
пленочной тех |
|
нологии, |
а |
транзисторы |
и диоды— с помощью тех нологии производства полу проводниковых ИМС. На рис. 4.8 изображена ИМС, созданная по совмещенной технологии и образующая усилитель, схема которого приведена на рис. 4.3.
Изоляция элементов от подложки достигается созданием между д-областью подложки и «-областями элементов запертого р-п перехода. Для этой цели на подложку подается запирающее напряжение. Ток утечки при этом не превышает 10"7 А. По скольку с помощью пленочной технологии и технологии про изводства полупроводниковых ИМС не удается реализовать катушки индуктивности с большой индуктивностью и высокой добротностью, избирательные усилители выполняются с по мощью RC цепей обратной связи или специальных схем гираторов.
§ 4.4. Обозначения и типы аналоговых ИМС
ИМС обозначаются набором 7 или 8 букв и цифр. Для ИМС широкого применения обозначение начинается с буквы К. Далее следует цифра, определяющая конструктивно-технологическую особенность ИМС. Полупроводниковые ИМС обозначаются цифрами 1, 5, 7, гибридные— 2, 4, 6, 8, прочие (пленочные, вакуумные и т. д.) — 3. Далее следует двузначное число, обозна чающее порядковый номер разработки серии ИМС. Буква «К» или ее отсутствие и следующие три цифры являются обозначени ем номера серии ИМС.
ИМС одной серии имеют одинаковую конструкцию и тех нологию изготовления, согласованы по напряжениям питания входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов и т. д. Из них можно создать законченное радиоэлектронное уст ройство.
За трехзначным числом следует две буквы, указывающие функциональное назначение микросхем. В частности: ГС — гене раторы гармонических сигналов, ГФ — генераторы сигналов спе циальной формы, ПС — преобразователи частоты, УВ— усили тели высокой частоты, УР— усилители промежуточной часто ты, УН— усилители низкой (звуковой) частоты, УТ— усилители постоянного тока, УД — усилители операционные, УС— диффе ренциальные (ранее буквами УС обозначались усилители си нусоидальных сигналов), ДА — амплитудные детекторы, ДС — частотные детекторы, ФВ— фильтры верхних частот. ФН — фильтры нижних частот. После букв следует цифра, опреде ляющая порядковый номер разработки ИМС данного функ ционального признака. В конце условного обозначения может стоять буквенный индекс (буква от А до Я), характеризующий ИМС данного типа по численному значению одного или не скольких параметров.
Пример обозначения ИМС: К140УД1Б: К — ИМС широкого применения, 1— полупроводниковая, 40— номер разработки, К140— серия,. УД— усилитель операционный или дифференци
альный, 1— номер ИМС в серии, Б — отличие по электрическим параметрам.
В ИМС, выпущенных до 1974 г., номер разработки идет после букв, указывающих функциональное назначение. Например: К1УТ401А: серия — К140, УТ— усилитель постоянного тока, 1 — номер ИМС в серии, А — отличие по электрическим параметрам.
Аналоговые ИМС характеризуются коэффициентом усиле ния, полосой рабочих частот, предельными эксплуатацион ными параметрами (предельными значениями токов, напряже ний, температуры окружающей среды) и потребляемой мощно стью, что в свою очередь, определяет требования и источникам питания.
Цифровые ИМС характеризуются максимальной (граничной) частотой, быстродействием, потребляемой мощностью.
На базе ИМС могут быть построены усилители низкой часто ты, высокой частоты, генераторы, модуляторы, детекторы, ис точники питания и другие устройства ИМС серии К 119, К218, К219, К224, К235, К237, К174, КР123, К148, К167, К175, К237, К265, 435, КР1005, К1112, К118 широко используются в трактах магнитофонов, радиоприемников, телевизоров, усилителей зву ковой частоты.
Серия К224 состоит из 32 типов ИМС, 14 из них используются в приемниках с амплитудной и частотной модуляцией. На ИМС этой серии могут быть сделаны все узлы приемника, кроме усилителя мощности. Для применения в усилителе мощности с трансформаторным выходом предназначена ИМС К2УС244 (Д/=80 Гц— 20 кГц), в усилителе с бестрансформаторным выхо дом— ИМС К2УС245. В последние годы разработаны усилители мощности на ИМС серии К 173, К 174. На нагрузке 4 Ом ИМС К1УС732, К1УС744 развивают мощность до 1 Вт, К174УН5— до 2 Вт, К174УН7— до 4,5 Вт.
Для усиления сигналов высокой частоты в приемниках приме няются специализированные микросхемы К2УС242, К219УВ1, которые работают в полосе частот от 0,15 МГц до 200 МГц.
Универсальные операционные усилители 140УД1, 140УД2, 1531Д1 и др. могут быть использованы в каскадах высококачест венных микрофонных усилителей, в предварительных усилителях низкой частоты, в усилителях промежуточной частоты.
Появление ИМС позволило по-новому подойти к разработке радиосистем, используя функциональный (блочный) подход и «собирая» радиосистемы из отдельных независимых блоков, выполняющих определенные функции. Следует отметить, что цифровые ИМС широко используются не только в устройствах электронно-вычислительной техники, но и в передаче и обработке аналоговых сигналов, в частности, в волоконно-оптических лини ях связи (§ 10.4) и в проигрывателях компакт-дисков (§ 10.6). Недостатками ИМС являются ограниченная мощность из-за ма-
лых размеров и разброс параметров. Дальнейшая разработка ИМС идет по пути увеличения рабочих частот, уменьшения потребляемой мощности, усложнения микросхем. Проблемами при создании новых ИМС являются необходимость усложнения технологии и увеличение стоимости ИМС.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К ГЛАВЕ 4
1.Опишите типы интегральных микросхем.
2.Что такое степень интеграции?
3.Что такое гибридно-пленочные интегральные микросхемы? Каковы осо бенности и технология их производства?
4.Что такое полупроводниковые интегральные микросхемы? Каковы осо бенности и технология их производства?
ГЛ А В А 5
УСИЛИТЕЛИ
Усилители— это устройства, предназначенные для увеличения напряжения, тока или мощности сигнала, подведенного ко входу усилителя. При этом форма сигнала на выходе усилителя должна повторять форму сигнала на входе. Усилители являются важней шей частью радиоэлектронных систем. Это устройство часто изображают в виде четырехполюсника, имеющего две входные и две выходные клеммы (рис. 5.1).
§5.1. Принципы действия усилителей
Большинство усилителей содержат биполярные или полевые транзисторы, на которые подается входное напряжение ивх(/). Транзистор включен в цепь, содержащую сопротивление нагрузки RHи источник питания Еи (рис. 5.2). Для этой цепи второй закон Кирхгофа запишем в виде:
WTp(f) + «*„(0 = £,n |
(5.1) |
Под действием входного напряжения uBX(t) меняется ток /(/), протекающий через транзистор (ток коллектора в случае бипо лярного транзистора или ток стока в случае полевого транзисто ра). При изменении тока i{t) через транзистор меняется падение
Усилитель
Усилитель
Рис. 5.1 |
Рис. 5.2 |