Интегральные микросхемы

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготавливаются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неделимое целое.

Основные параметры интегральных микросхем:

- плотность упаковки (количество элементов в единице объема);

‑ степень интеграции (количество элементов в микросхеме).

По степени интеграции интегральные микросхемы делятся:

I степень интеграции – до 10 элементов;

II степень интеграции – от 10 до 100 элементов;

III степень интеграции – от 100 до 1000 элементов и т.д.

По конструктивно-технологическому признаку на:

Гибридные – пассивные элементы таких микросхем выполнены посредством нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки; активные элементы представляют собой бескорпусные полупроводниковые приборы (плотность упаковки – до 150 эл/см³; степень интеграции – I и II).

Полупроводниковые – все элементы таких микросхем выполнены в объеме и на поверхности полупроводника (плотность упаковки – до 10⁵ эл/см³; степень интеграции –VI и выше).

Интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Для аналоговых характерна пропорциональность входных и выходных сигналов, на них строятся усилители и генераторы аналоговых сигналов. Цифровые микросхемы применяются в ЭВМ.

ВЫВОДЫ

Рассмотрены различные типы полупроводниковых приборов, их внутренняя структура, вольтамперные характеристики, основные параметры и обозначения на электрических схемах.

 

Контрольные вопросы

1. Что является основным носителем заряда в полупроводниках n-типа?

2. Перечислите основные свойства p-n-перехода.

3. Как называются легирующие примеси, создающие в полупроводнике электронную электропроводность?

4. Какие вы знаете полупроводниковые диоды, на каких свойствах p-n-перехода они работают?

5. Какие схемы включения биполярных транзисторов усиливают напряжение входного сигнала?

6. Что представляет собой входная характеристика биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой?

7. Для чего необходим затвор в полевом транзисторе?

8. Поясните принцип работы МДП-транзистора с встроенным токовым каналом.

9. Что такое интегральная микросхема? По каким признакам принято подразделять интегральные микросхемы?

 

2.4. источники вторичного электропитания

 

2.4.1.Общие сведения

Электростанции вырабатывают электрическую энергию переменного тока частотой 50 Гц. Это объясняется необходимостью передачи энергии на большие расстояния по высоковольтным линиям с использованием трансформаторов напряжения. На практике же возникает необходимость применения постоянного тока: в первую очередь это относится к устройствам электроники, питание которых осуществляется напряжением постоянного тока.

Для преобразования переменного тока в постоянный служат электронные выпрямители, относящиеся к источникам вторичного электропитания. В состав электронного выпрямителя входят: трансформатор, преобразующий напряжение сети до необходимого значения; диоды, осуществляющие выпрямление тока; сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации выпрямленного напряжения; стабилизатор, поддерживающий неизменным напряжение на нагрузке. В зависимости от назначения выпрямителя и предъявляемых к нему требований некоторые из перечисленных узлов могут отсутствовать.

В электронике наибольшее распространение получили однополупериодный и двухполупериодный выпрямители.

 

2.4.2.Однополупериодный выпрямитель

Работа однополупериодного выпрямителя, рис. 90 рассматривается в предположении, что диод VD – идеальный, т.е. сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечно велико. u₁ и u₂ – напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора; R_н – сопротивление нагрузки.

На временных диаграммах токов и напряжений, рис. 90: t – время; I₀ и U₀ – средние значения (постоянные составляющие) выпрямленного тока и напряжения.

В течение первого полупериода напряжения u₂, когда положительный потенциал приложен к аноду диода, он открыт и через нагрузочное сопротивление R_н пойдет ток i_н = i_д; при этом все напряжение окажется приложенным к R_н (u_н = u₂). Во второй полупериод полярность напряжения u₂ на вторичной обмотке трансформатора изменится на противоположную и диод окажется включенным в обратном направлении, ток прекратится и все напряжение u₂ окажется приложенным к закрытому диоду.

Максимальное значение обратного напряжения где U₂ – действующее значение напряжения.

Из временных диаграмм видно, что ток i_н и напряжение u_н имеют пульсирующий характер и значительно отличаются от постоянных. Для однополупериодного выпрямителя справедливы следующие соотношения

Для характеристики степени пульсации выпрямленного напряжения вводят коэффициент пульсации

,

где U_{m гарм} – амплитуда наибольшей гармоники, для однополупериодного выпрямителя эта гармоника имеет частоту, равную частоте питающей сети переменного тока; U₀ – постоянная составляющая выпрямленного напряжения; для однополупериодного выпрямителя К_пульс = 1,57.

 

 

I0

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота, а недостатками – большой коэффициент пульсаций и малые значения выпрямленного тока и напряжения. Поэтому значительно большее распространение получили двуполупериодные выпрямители, в которых выпрямленное напряжение создается в оба полупериода напряжения сети.

 

2.4.3.Двуполупериодный выпрямитель

Двуполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Большее распространение получил мостовой выпрямитель, рис. 91. В один из полупериодов напряжения сети (u₁), когда верхний зажим вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к нижнему зажиму, диоды 1 и 3 открыты, а диоды 2 и 4 закрыты. В этот полупериод ток проходит от верхнего зажима вторичной обмотки трансформатора через диод 1 (ток i₁), нагрузочный резистор R_н, диод 3 (ток i₃) к нижнему зажиму обмотки трансформатора.

В отрицательный полупериод напряжения u₂ диоды 1 и 3 закрыты, а диоды 2 и 4 открыты, ток проходит от нижнего зажима через диод 2 (ток i₂), нагрузочный резистор R_н, диод 4 (ток i₄) к верхнему зажиму обмотки трансформатора. При этом в течение всего периода ток i_н через резистор R_н и напряжение на нем имеют одно и то же направление.

Для рассматриваемого двуполупериодного выпрямителя справедливы следующие соотношения

,

где U_{m гарм} – амплитуда наибольшей гармоники, которая для двухполупериодного выпрямителя имеет частоту вдвое бóльшую, чем частота питающей сети.

 

По сравнению с однополупериодным, мостовой выпрямитель более эффективен: средние значения выпрямленного тока и напряжения у него в 2 раза больше, а пульсации значительно меньше.

Коэффициент пульсаций напряжения К_пульс, питающего электронную аппаратуру, должен составлять доли процента. Двуполупериодный выпрямитель создает пульсирующее напряжение с К_пульс = 0,67. Поэтому для уменьшения пульсаций до требуемого уровня применяют устройства, называемые сглаживающими фильтрами. Различают емкостные, индуктивные, комбинированные (Г-образные, П-образные) фильтры.

 

2.4.4.Сглаживающие фильтры

 

Емкостной фильтр

На схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 92 ,а) емкостной фильтр выполнен в виде конденсатора С_ф включенного параллельно нагрузочному резистору R_н. Конденсатор С_ф заряжается через диод до амплитудного значения напряжения u₂ в моменты времени, когда напряжение u₂ на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на конденсаторе. Когда напряжение u_с > u₂, диод закрыт и конденсатор разряжается через нагрузочное сопротивление R_н с постоянной времени t_разр = R_нС_ф.

 

Как показывает временнáя диаграмма на рис. 92, б, при разряде С_ф напряжение u_н не уменьшается до нуля во вторую половину периода, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения по сравнению с однополупериодным выпрямителем без фильтра. Аналогично работает емкостный фильтр в двуполупериодном выпрямителе, с той лишь разницей, что коэффициент пульсаций получается меньшим.

Емкость конденсатора С_ф выбирают такой, чтобы выполнялось соотношение t_разр = R_нС_ф > 5 Т. Здесь Т = 1 / f_осн – период основной, наибольшей гармоники пульсирующего напряжения.

Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром может быть снижен до 10^-2. Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором, т.е. при малых токах нагрузки. При этом мощность Р_н не должна быть больше нескольких десятков ватт.

 

Индуктивный фильтр

Действие индуктивного фильтра L_ф основано на том, что сопротивление катушки индуктивности постоянному току мало, а сопротивление переменному току X_L = wL может быть сделано большим. Поэтому при включении L_ф последовательно с активным сопротивлением нагрузки R_н (рис. 93) падение напряжения на R_н от переменной составляющей тока снижается, т.е. пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются.

	Рис. 93. Схема включения индуктивного фильтра

 

 

Г-образный и П-образный фильтры

Для более значительного уменьшения пульсаций применяют комбинированные Г-образные или П-образные фильтры (рис. 94).

В маломощных выпрямителях с целью уменьшения массы, габаритов и стоимости фильтра катушку L_ф часто заменяют резистором R_ф.

Для характеристики эффективности действия сглаживающего фильтра вводится коэффициент сглаживания

 

,

 

где К_пульс и - коэффициент пульсации на нагрузке при отсутствии и наличии фильтра, соответственно.

		Рис. 94. Схемы Г-образного (а) и П-образного (б) сглаживающих фильтров

 

 

Если Г-образный или П-образный сглаживающие фильтры из отдельных звеньев не позволяют уменьшить пульсации до необходимого уровня, то применяют соединенные последовательно многозвенные фильтры. Общий коэффициент сглаживания такого фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания фильтров, из которых он состоит. В настоящее время используются электронные фильтры, в которых вместо индуктивностей включают транзисторы.

 

2.4.5.Внешние характеристики выпрямителя

Внешней или нагрузочной характеристикой выпрямителя называют зависимость напряжения на нагрузке U_н от тока нагрузки I_н

Характер этой зависимости можно уяснить из рис. 95.

 

	Рис. 95. Эквивалентная схема выпрямителя и его внешние характеристики

 

 

Выпрямитель можно рассматривать как источник напряжения постоянного тока с некоторой эквивалентной ЭДС, равной напряжению холостого хода U_хх, (напряжению на выходе выпрямителя при токе нагрузки I_н = 0) и внутренним сопротивлением R_вн.

Из эквивалентной схемы следует, что

Выражение показывает, что с ростом выпрямленного тока I_н падение напряжения на R_вн увеличивается, и напряжение U_н на нагрузке уменьшается. Сопротивление диодов в прямом направлении зависит от тока, поэтому внешняя характеристика I_н = f(U_н) является нелинейной. Однако при малом сопротивлении цепи выпрямителя эта нелинейность может быть слабо выражена.

На внешних характеристиках выпрямителя кривая 1 без сглаживающего фильтра и кривая 2 с емкостным фильтром. Кривая 2 расположена выше. Это объясняется тем, что при наличии емкостного фильтра в режиме холостого хода (при I_н = 0) конденсатор С_ф заряжается до амплитудного значения выпрямленного напряжения U_н = U_2m, что по величине больше, чем среднее значение выпрямленного напряжения в отсутствии сглаживающего фильтра. Примерно такая же картина будет и при применении Г-образного или П-образного фильтров.

 

2.4.6.Стабилизаторы напряжения постоянного тока

Напряжение источников питания электронной аппаратуры может изменяться при колебаниях напряжения сети переменного тока, а также при изменении силы тока, потребляемого аппаратурой. Для нормальной работы электронной аппаратуры в ряде случаев требуются напряжения питания более стабильные, чем могут обеспечить обычные источники напряжения постоянного тока. Повышение устойчивости питающего напряжения достигается применением стабилизаторов напряжения.

Стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные.

Основным параметром, характеризующим качество работы стабилизатора напряжения, является коэффициент стабилизации

где DU_вх, DU_вых – приращения входного и выходного напряжений; U_вх, U_вых – номинальные значения входного и выходного напряжений.

Наиболее простым стабилизатором напряжения является параметрический.

Схема стабилизатора, рис. 96, а содержит стабилитрон, включенный в обратном направлении, балластное сопротивление R_б и сопротивление нагрузки R_н. На рис. 96, б показана вольт-амперная характеристика стабилитрона, включенного в обратном направлении. При малых входных напряжениях (U_вх) напряжение на стабилитроне (U_ст) будет также малым, ток стабилитрона (I_ст) ничтожно мал, так что можно считать стабилитрон как бы отключенным от схемы. При этом I_вх = I_н и напряжения на резисторах R_б и R_н будут распределяться пропорционально их сопротивлениям, а зависимость U_вых = f(U_вх) будет приблизительно прямо пропорциональной. Когда входное напряжение возрастет настолько, что напряжение на стабилитроне достигнет величины пробоя, ток через стабилитрон резко возрастет. Это приведет к большому падению напряжения на балластном сопротивлении R_б, а выходное напряжение U_вых = U_ст, при изменении входного напряжения в определенных пределах, будет оставаться почти неизменным. Сказанное иллюстрируется основной характеристикой параметрического стабилизатора, показанной на рис. 96, в

U_вых = f(U_вх).

Величина балластного сопротивления R_б зависит от пределов изменения входного напряжения, тока нагрузки (I_н) и параметров стабилизатора (I_{ст min} и I_{ст max}). Предельные значения определяются из выражения

.

Для получения большего значения коэффициента стабилизации целесообразно выбрать значение R_б ближе к R_{б max}. При выборе сопротивления R_б необходимо, чтобы оно удовлетворяло требованию рассеивания максимальной мощности, определяемой выражением

При найденном значении R_б коэффициент стабилизации

 

,

 

где r_д = DU_ст / DI_ст – динамическое сопротивление (сопротивление переменному току) стабилитрона, приводимое в справочниках по полупроводниковым приборам.

 

 

Компенсационные стабилизаторы являются системами автоматического регулирования, в которых за счет отрицательной обратной связи обеспечивается неизменность напряжения на нагрузке с большой степенью точности. Компенсационные стабилизаторы выполняются на полупроводниковых дискретных элементах и в интегральном исполнении.

 

ВЫВОДЫ

Представлены различные типы электронных выпрямительных устройств, сглаживающих фильтров и стабилизаторов напряжения, рассмотрены их принцип действия, электрические схемы, основные параметры и временные диаграммы.

 

Контрольные вопросы

1. Для чего используются выпрямительные устройства?

2. Какие узлы входят в состав выпрямительного устройства? Поясните назначение каждого узла.

3. Поясните принцип действия однополупериодного выпрямителя

4. Поясните принцип действия мостового выпрямителя.

5. Каковы основные достоинства и недостатки мостового выпрямителя по сравнению с однополупериодным?

6. Поясните принцип действия емкостного сглаживающего фильтра.

7. Какие вы знаете схемы включения комбинированных сглаживающих фильтров?

8. Что представляет собой внешняя характеристика выпрямителя?

9. Поясните принцип действия параметрического стабилизатора напряжения.

10. Для чего необходимо балластное сопротивление в параметрическом стабилизаторе напряжения?