Мендл М. 200 избранных схем электроники. Матью Мэндл 200 избранных схем электроники редакция литературы по информатике и электронике 1978 PrenticeHall, Inc
 Скачать 2.25 Mb.
|
|
Глава 14 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 14.1. Особенности интегральных схем Интегральные схемы (ИС) представляют собой микроминиатюрные устройства из полупроводниковых элементов, таких, как транзисторы, резисторы и диоды. Используя специальную технологию, различные элементы соединяют между собой таким образом, чтобы они могли выполнять определенную функцию: усиление, генерирование сигналов или формирование импульсов. В интегральных схемах отдельные микроэлементы объединены в одной полупроводниковой монолитной пластине (chip). Когда монолитные пластины соединяют друг с другом для получения некоторой электронной схемы (усилителя звуковой частоты или схемы обработки цифровых сигналов), такие ИС называют составными. Интегральные схемы могут содержать сотни элементов весьма малой площади, размеры которых иногда ограничиваются лишь возможностью изготовления выводов. Часто интегральные пластины являются частью модуля, который содержит в своем составе ряд других элементов (катушки индуктивности, мощные транзисторы и т. п.), необходимых при создании таких устройств, как амплитудный детектор, звуковой усилитель, свип-генератор, выходные усилители разверток телевизионного приемника. Интегральные схемы также являются основой ручных калькуляторов, электронных систем слежения и других подобных устройств, объединяющих электронные и механические блоки. Для изготовления интегральных схем применяются раз- личные технологические процессы, включающие травление необходимого рисунка схемы, тепловую обработку, изготовление маски, химическое травление, фотообработку. Кроме того, используются операции диффузии и вакуумного осаждения для соединения элементов в единую структуру. Часть ИС, показанная на рис. 14.1, а, содержит два резистора, конденсатор, транзистор и межэлементные соединения и является интегральной реализацией каскада усилительной схемы» приведенного на рис. 14.1,6. Изображение части ИС на рис. 14.1, а дает, конечно, весьма приближенное представление о реальной интегральной схеме. Рис. 14.1. Интегральное представление (а) каскада усилителя (б). 14.2. Применение интегральных схем в модулях Типичная схема модуля, показанная на рис. 14.2, содержит УПЧ звука, детектор и выходной звуковой усилитель. На корпусе такого модуля обычно имеется специальный выступ для установки его на шасси, на котором имеется соответствующий выступу вырез. Схема, изображенная на рис. 14.2, может быть схемой модуля обработки звуковых сигналов ЧМ- радиоприемника или модуля ЧМ звукового сопровождения в телевизионном приемнике. Первая интегральная схема HCi содержит несколько каскадов УПЧ, и сигнал с ее выхода подается на входной трансформатор ЧМ- детектора. Перемещением сердечника обеспечивается возможность подстройки частоты в процессе регулировки. Далее сигнал подается на схему ИС 2 , содержащую частотный детектор и один или два каскада звукового усиления, которые позволяют получить амплитуду сигнала, необходимую для подачи на динамик. Как показано на рис. 14.2, для обеспечения работы ИС используются внешние резисторы и конденсаторы. В тех случаях, когда в модуле применяется один резистор для подачи напряжения питания на несколько интегральных схем, номинальная мощность этого резистора должна быть больше, чем в случае одной ИС. Таким образом, иногда оказывается более целесообразно применять в схемах внешние элементы. Так, используют навесные катушки индуктивности, поскольку пока нет возможности изготовлять их методами интегральной технологии. Для изготовления емкостей в интегральных схемах приходится применять дополнительные технологические процессы. Поэтому часто более удобным оказывается их замещение навесными конденсаторами. Внешние катушки индуктивности приходится использовать всегда, когда требуется осуществлять настройку ча стоты. Рис. 14.2. Схема модуля с интегральными схемами. Типичная схема выводов ИС, включающей два звуковых усилителя для стереофонического устройства, показана на рис. 14.3. Выступы на корпусе ИС располагаются с той стороны, которая обращена к панели для включения ИС (или к печатной плате в случае присоединения методом пайки). Выемка, изображенная на рисунке сверху, служит началом нумерации выводов. Такая интегральная схема имеет размеры 6,5х6,5хl,5 мм и выходную мощность порядка нескольких ватт на один канал и содержит в себе все необходимые каскады для обработки входных сигналов. Рис. 14.3. Схема выводов ИС. 14.3. Многоэмиттерные транзисторы в схемах ТТЛ-типа В интегральных логических схемах часто используются мно-гоэмиттерные транзисторы (МЭТ) (рис. 14.4, а). Такие транзисторы удобно применять для многовходовых логических вентилей, так как это упрощает процесс изготовления интегральных схем. Применение многоэмиттерного транзистора в схеме логического вентиля показано на рис. 14.4,6. Здесь три эмиттера транзистора Т 1 n — р — n-типа являются входными зажимами схемы. Транзистор Т 2 инвертирует сигнал, поэтому оба транзистора T 1 и Т 2 формируют логику отрицания. Эта схема представляет транзисторно-транзисторный логический (ТТЛ) вентиль типа И-НЕ (см. гл. 8). Оба транзистора — в схеме n — р — n-типа, поэтому при работе в нормальном (неинверсном) режиме прямое смещение на базе имеет положительную полярность относительно эмиттера. На базу МЭТ через резистор R 1 подается положительный потенциал (несколько вольт). При подаче хотя бы на один из входов МЭТ отрицательного или даже небольшого положительного потенциала (не более — 0,5 В) эмиттерный ток МЭТ почти равен току базы МЭТ, а ток базы транзистора Т 2 практически равен нулю, и транзистор Т 2 заперт. Если же на все входы МЭТ будут поданы положительные потенциалы выше 1 — 2 В, то токи эмиттеров МЭТ становятся практически равными нулю, а ток базы МЭТ оказывается равным току базы транзистора Т 2 . Рис. 14.4 Многоэмиттерный транзистор fa) и логическая схема ТТЛ-типа на его основе (б). В этом случае транзистор T 2 открыт и находится в состоянии насыщения. Выходной каскад на транзисторе Т 2 работает как инвертор, а МЭТ выполняет функции логической схемы И. Применение многоэмиттерных транзисторов и логических устройств ТТЛ-типа позволяет минимизировать число элементов, составляющих интегральную схему. Использование непосредственной связи между транзисторами исключает применение переходного конденсатора, способствует повышению быстродействия и помехоустойчивости логической схемы этого типа, выполняющей логическую функцию И-НЕ. Иногда применяют многоэмиттерные транзисторы с четырьмя-пятью входами, но большее число эмиттеров приводит к снижению помехоустойчивости схемы. 14.4. Интегральные схемы с дополняющими МОП-транзисторами Схемы с дополняющими МОП-транзисторами представляют собой специальный тип интегральных схем и были впервые разработаны фирмой RCA. Термин «МОП» означает, что транзистор имеет структуру металл — окисел — полупроводник. Как показано на рис. 14.5, а, схема состоит из двух дополняющих полевых транзисторов МОП-типа с р- и я-каналами. Схемы указанного типа имеют ряд преимуществ в отношении технологии их изготовления и могут использоваться как в цифровых, так и в линейных аналоговых системах. Рис. 14.5. Интегральные схемы с дополняющими МОП-транзисторами. При отсутствии входных сигналов схемы МОП-типа с дополняющими транзисторами, по существу, не потребляют никакой мощности. Логические системы из таких схем, содержащие около 100 вентилей, потребляют мощность менее 0,1 мВт. Как показано на рис. 14.5, полевые транзисторы МОП-типа с р- и n- каналами соединены параллельно и, таким образом, имеют характеристики противоположной полярности. Следовательно, если транзистор с р-каналом открыт, то транзистор с я-каналом находится в закрытом состоянии. По этой причине рабочий ток в схеме весьма мал, а к. п. д. схемы очень высок. При работе в цифровых системах, где используются импульсные сигналы малой длительности, транзисторы работают поочередно, обеспечивая также очень незначительное потребление мощности. При увеличении скорости переключения средняя мощность вентиля возрастает, хотя, если скорость переключения не превышает 10 кГц, значение рассеиваемой мощности составляет не более 1 мкВт на вентиль. С повышением частоты сиг- нала увеличивается частота повторения импульсов тока, и поэтому несколько возрастает потребляемая мощность. Благодаря особенностям передаточной характеристики схемы МОП-типа с дополняющими транзисторами имеют высокую помехоустойчивость. Различные фирмы выпускают интегральные цифровые схемы такого типа, которые могут хорошо работать на частотах до нескольких мегагерц. Таким образом, МОП-схемы с дополняющими транзисторами могут с успехом применяться не только в вычислительных устройствах, но так- же в системах связи и измерительной аппаратуре. Как показано на рис. 14.5,6, в схему может быть введен дополнительный резистор Rь обеспечивающий линейный режим работы. Этот резистор включают между входным и выходным зажимами, так что он является цепью обратной связи, которая автоматически корректирует дрейф, появляющийся на выходе схемы. Так как при нормальной работе вентиля через него протекает ток незначительной величины, то падение напряжения на резисторе R 1 практически отсутствует. Это позволяет применять высокоомный резистор R 1 величиной в несколько десятков мегом, что обеспечивает эффективное разделение сигналов на входе и выходе. Схема, изображенная на рис. 14.5,6, может использоваться для построения генератора или усилителя. В схеме генератора с кварцевой стабилизацией частоты кварцевую пластину включают параллельно резистору R 1 . Кварц ведет себя как резонансный контур в цепи обратной связи на частоте сигнала, обеспечивая высокую стабильность частоты колебаний (см. рис. 4.5). 14.5. Логические схемы инжекционного типа Термин «интегральные логические схемы инжекционного типа» (схемы инжекционной логики — PL) относится к интегральным схемам, достоинства которых особенно очевидны в биполярных схемах с большим уровнем интеграции (БИС). Логические схемы инжекционного типа потребляют очень незначительную мощность, просты, так как содержат минимальное количество схемных элементов, и обладают высокой эффективностью. Так, например, на одной полупроводниковой пластине можно изготовить систему, содержащую до 3000 вентилей, или систему памяти объемом 10000 двоичных разрядов. Важной характеристикой инжекционных схем является универсальность их применения в электронных схемах. Они могут применяться в производстве недорогих электронных часов, в которых потребление мощности не превышает нескольких микроватт. Несмотря на очень малое потребление энергии, такие схемы обеспечивают достаточно большую амплитуду сигнала и тем самым делают возможной работу цифрового устройства отображения на светодиодах. Схемы инжекционного типа могут также использоваться в цифровых вольтметрах, цифровых блоках настройки, в линейных схемах радио- и телевизионных приемников. Но главное применение инжекционных схем — логические матрицы, устройства считывания информации из постоянных запоминающих устройств, а также системы обработки логических сигналов в калькуляторах. Инжекционные схемы, включающие два дополняющих транзистора, выполняют роль вентиля (рис. 14.6, а). Многоколлекторный транзистор n — р — n-типа применяется в качестве инвертора, а транзистор р — n — р- типа служит либо в качестве нагрузки, либо является источником тока. На входе и выходе схемы не используется ни одного резистора. Рис. 14.6. Логические схемы инжекционного типа. Типичная схема инжекционного типа показана на рис. 14.6,a. Здесь в виде двух пересекающихся окружностей изображен источник тока, который присоединен к многоколлекторному транзистору n — р — n- типа (см. также рис. 2.3). Источник тока может быть транзистором р — n — р-типа, как показано на рис. 14.6,6. В такой схеме первый транзистор р — n — р-типа является вентилем, который инжектирует неосновные носители в базу второго транзистора n — р — n-типа, являющегося инвертором. Второй транзистор можно .рассматривать как нагрузку, следовательно, отпадает необходимость в применении обычных резисторов (см. разд. 14.3). Схемы инжекционного типа работают очень устойчиво при различных видах сигналов, а потребляемая мощность не увеличивается с возрастанием частоты. Кроме того, такие схемы обладают высокой помехоустойчивостью при действии шумов и нежелательных сигналов. Рис. 14.7. Схема вентиля ИЛИ-НЕ инжекционного типа. 14.6. Схема вентиля ИЛИ-НЕ инжекционного типа На рис. 14.7 изображена схема логического двухвходового вентиля ИЛИ-НЕ. Схема имеет два выхода, один из которых является выходом с отрицанием (ИЛИ-НЕ), а второй выход — неинвертированный (ИЛИ). В таком вентиле использованы три схемы инжекционного типа, а источники постоянного тока образованы инжекционными транзисторами, являющимися неотъемлемой частью интегральной схемы. Коллекторы каждой из входных инжекционных схем соединены между собой перекрестно, т. е. верхний коллектор схемы Асоединен с нижним коллектором схемы В и наоборот. Выход схемы А подан на базу дополнительной инжекционной схемы, которая является инвертором. Благодаря этому при подаче сигнала на вход А на выходе этой схемы он инвертируется; вторая схема инвертирует сигнал вторично и возвращает его в исходное состояние. Когда же сигнал подается на вход В, то он инвертируется только один раз, и поэтому полярность сигнала на выходе окажется противоположной сигналу на входе. Рис. 14.8. Схема фиксации с диодами Шоттки. При подаче сигнала на вход А он появляется на выходе после второго инвертора в неинвертированном виде. Однако с первой инжекционной схемы этот же сигнал подается и на выход нижней схемы, а так как здесь он не подвергается повторной операции инвертирования, на нижнем выходе вентиля сигнал появляется в инвертированном виде (А). Аналогичным образом при подаче импульса на вход В на нижнем коллекторе схемы и на выходе он появится в инвертированном виде (В). Выходной сигнал с верхнего коллектора нижней схемы подается одновременно на верхнюю схему и выходной инвертор. Следовательно, на верхнем выходе этот сигнал появится в неинвертированном виде. Таким образом, выходные сигналы в такой схеме появляются в случае подачи сигнала ИЛИ на вход Л, ИЛИ на вход В, ИЛИ на оба входа вместе, а выходной сигнал получается как в инвертированном, так и в неинвертированном виде. Путем добавления других схем, аналогичных показанной на рис. 14.7, можно получить схему с большим числом входов и выходов. 14.7. Схема фиксации с диодами Шоттки Для улучшения характеристик логических схем в интегральной технике широко применяются специальные приборы, называемые диодами Шоттки. Эти диоды выполняют функции переключения с значительно более высокой скоростью, чем обычные диоды. Кроме того, благодаря небольшому падению напряжения на диодах Шоттки потери мощности в таких диодах минимальны. Условное изображение диодов Шоттки (рис. 14.8) отличается от принятого для обычных диодов. В схеме на рис. 14.8 диоды Шоттки используются для фиксации выходных сигналов вентилей инжекционного типа. Эти диоды ограничивают амплитуду сигналов, подаваемых на вход логических схем, и уменьшают время переключения, которое имело бы место при чрезмерно большой амплитуде сигналов. Применение фиксирующих диодов Шоттки позволяет увеличить скорость переключения инжекционного вентиля примерно в 5 — 6 раз. Приведенная на рисунке схема применяется в вентилях инжекционного типа фирмы IBM для уменьшения амплитуд сигналов, превышающих 500 мВ, до уровня 150 — 300 мВ. Глава 15 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПЕРЕДАЮЩИХ И ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ 15.1. Передатчик АМ-сигналов Рис. 15.1. Блок-схема передатчика с A.M. Схема передающего устройства, показанная на рис. 15.1, применяется для генерирования АМ-сигналов, которые передаются в широковещательных радиосистемах. (Соответствующий приемник АМ-сигналов рассмотрен в разд. 15.5). Как показано на рис. 15.1, высокочастотный генератор с кварцевой стабилизацией генерирует колебания несущей частоты. С выхода генератора колебания подаются на стандартный буферный усилитель класса С или умножитель частоты, после чего амплитуда и частота сигнала принимают такие значения, которые требуются для управления высокочастотным усилителем мощности. Сигналы с микрофона, звукоснимателя или магнитофона подаются на предварительный усилитель. Далее для повышения амплитуды сигнала применяются звуковой усилитель и выходной усилитель мощности, с выхода которого сигнал используется для модуляции несущей (более подробно см. гл. 6). Если сигнал с модулирующего усилителя класса С подается непосредственно в антенну, как показано на рисунке, то такую схему называют схемой модуляции на высоком уровне мощности (модуляция осуществляется при наибольшей мощности несущей). Если же после модулятора используется линейный усилитель класса В (показан штриховой линией), выход которого присоединяется к антенне, тогда имеет место схема модуляции на низком уровне мощности (модуляция производится при наименьшей мощности несущей). В результате амплитудной модуляции для каждого сигнала звуковой частоты образуются сигналы верхней и нижней боковых частот. Таким образом, если несущая частота 100 кГц модулируется сигналом частотой 1000 Гц, то образуются сигналы с частотами 101 и 99 кГц. Это сигналы боковых полос, и вместе с несущей они образуют сложный радиосигнал, амплитуда высокочастотных колебаний которого изменяется с частотой мо- дулирующего звукового сигнала. Так как боковые составляющие отстоят от несущей на частоту модулирующего сигнала, то при большей частоте модулирующего сигнала боковые составляющие будут дальше отстоять от несущей частоты, и, следовательно, для передачи и приема будет требоваться более широ- кая полоса частот. |