§ 5.2. УСИЛИТЕЛИ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ

Интегральные линейные микросхемы включают в себя усилительные каскады, рассмотренные в гл. 4, а также их комбинации и модернизированные варианты. Они отличаются от усилителей, выполненных на дискретных элементах, только методами изготовления отдельных компонентов схем и технологией изготовления законченных функциональных узлов. В большинстве случаев принципиальные схемы интегральных усилителей выглядят значительно сложнее своих дискретных аналогов. Это объясняется тем, что если для незначительного улучшения каких-либо параметров усилителя требуется ввести один или несколько дополнительных транзисторов, их, как правило, вводят, зная, что стоимость изготовления от этого существенно не изменится.

Таким образом, интегральный усилитель представляет собой законченный функциональный блок, изготовленный в одном корпусе, имеющий параметры заданные в технических условиях, в принципиальную схему которого нельзя внести никаких изменений, не предусмотренных при его проектировании.

При подключении требуемых напряжений питания и выполнении необходимых соединений такой законченный функциональный блок имеет параметры, указанные в отраслевых стандартах на применение данного усилителя.

При использовании интегральных микросхем отпадает необходимость в расчете, сборке и настройке отдельных каскадов. В этом случае на первый план выдвигаются вопросы согласования отдельных микросхем, введения цепей ОС, обеспечивающих получение необходимых параметров, обеспечения устойчивости всей системы, охваченной цепями ОС, и т. д.

В настоящее время промышленностью разработано и выпускается значительное количество различных микросхем, в которых усилители являются лишь одним из функциональных узлов среди узлов другого назначения. Для того чтобы различать, какую функцию выполняет конкретная микросхема, принята система условных обозначений, отражающая их принадлежность к определенным сериям, классам и группам.

Серия объединяет ряд отдельных функциональных схем по технологическому признаку, согласованности по напряжениям источников питания, уровням сигналов, входным и выходным сопротивлениям, конструктивному оформлению и способам крепления и монтажа. Серии стремятся разрабатывать так, чтобы из микросхем, входящих в нее, можно было построить законченное устройство.

Условное обозначение микросхем состоит из следующих элементов.

Первый элемент — цифра, обозначающая группу макросхемы. По конструктивно-технологическим признакам микросхемы подразделяют на три группы, которым присвоены обозначения: 1; 5; 6; 7 — полупроводниковые (7 — бескорпусные); 2; 4; 8 — гибридные; 3 — прочие (пленочные, вакуумные, керамические и т. д.); второй — две - три цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем. Эти элементы определяют серию микросхемы; третий — две буквы, обозначающие подгруппу и вид микросхемы в соответствии с табл. 5.1; четвертый — порядковый номер разработки ИС в данной серии.

Таблица 5.1

Таблица 5.1 (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 5.1 (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 5.1 (продолжение) (см. оригинал)

Иногда в конце условного обозначения добавляется буква, определяющая технологический разброс параметров данного гипономинала, например 133ЛА1Б.

Буквы К, КР, КМ, КЕ, КА, КИ перед условным обозначением характеризуют условия их приемки и особенности конструктивного выполнения. Буква К указывает, что эта микросхема широкого применения; Р — пластмассовый корпус: М - металлический, металлокерамический, стеклокерамический корпус; Е — металлополимерный корпус; А — пластмассовый плапарного типа; И — стеклокерамический планарный.

Для ИС, выпускаемых на экспорт и отличающихся шагом выводов, перед буквой К присутствует буква Э, например Э561ЛС2.

Для бескорпусных ИС перед номером серии добавляют букву Б и через дефис вводят цифру (1—6), характеризующую модификацию конструктивного выполнения, например: 1 — с гибкими выводами; 2 - с ленточными выводами и т. д.

Промышленностью изготовляются транзисторные сборки (несколько идентичных транзисторов, выполненных в одном корпусе), однокаскадные и многокаскадные усилители.

Так, в частности, выпускаются: эмиттерные и истоковые повторители усилители низкой частоты и др.), в том числе и малошумящие усилители мощности и оконечные усилители широкополосные усилители , в том числе и видеоусилители усилители высокой частоты усилители с логарифмической характеристикой дифференциальные усилительные каскады ЗУД 1); каскодные усилители двухкаскадные усилители усилители-ограничители ; операционные усилители (серии 140, 153, 154, 157, 544, 551, 553, 574, 740, 1401, 1407, 1408, 1409) и др.

В каталогах и информационных листках обычно приводятся принципиальные схемы микросхем. Однако для практического использования надо иметь руководства по применению, выпускаемые в виде отраслевых стандартов. В них приведены схемы соединения выводов микросхем и рекомендуемые параметры навесных компонентов. Без руководства по применению создавать устройства с заданными параметрами сложно из-за того, что принципиальная схема представляет собой сочетание большого количества соединенных непосредственно активных и пассивных элементов, параметры которых неизвестны.

В простейших случаях, как например, в случае, показанном на рис. 5.2, а, проектировщик сможет включить микросхему без дополнительных справочных материалов. При этом он должен хорошо знать основы схемотехники усилительных каскадов и учитывать, что имеющиеся в составе микросхемы пассивные цепи выполняют исходя из условия обеспечения нормальной работы усилителя. Так, при создании усилителя с единичным коэффициентом усиления на основе микросхемы с помощью соответствующих внешних соединений можно реализовать истоковый повторитель на транзисторе , аналогичный показанному на рис. 4.21, а. Однако для получения меньшего выходного сопротивления на рис. 5.2, а использован транзистор , который включен с ОЭ. В итоге получена схема с единичным коэффициентом усиления и сниженным выходным сопротивлением, свойства которой аналогичны свойствам каскада рис. 4.49, в.

Рис. 5.2. Усилитель с (а); принципиальная схема ИС (б) и ее включение (в)

Подключением затвора 10 транзистора к выводу 5 или 9 можно изменять постоянное напряжение на затворе, а соответственно ток покоя и максимальную амплитуду усиливаемого сигнала.

Возможны и другие схемы включения микросхемы. Для этого от различных элементов сделаны самостоятельные выводы.

Наличие большого количества выводов у микросхем расширяет их функциональные возможности. Выводы спроектированы так, что в отдельные цепи можно включать навесные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, светодиоды и другие нагрузки. Это позволяет осуществлять согласование микросхемы с нагрузкой; менять режимы работы ее усилительных каскадов; устранять отрицательные обратные связи; вводить дополнительные обратные связи; подключать корректирующие цепи, изменяющие АЧХ и ФЧХ усилителя; использовать только необходимое количество элементов микросхемы.

Однако получение определенных значений параметров и их воспроизводимость, как правило, гарантируются только при использовании рекомендованных схем включения и номиналов внешних компонентов.

На рис. 5.2, б приведена принципиальная схема усилителя низкой частоты типа .

В нем при подключении внешних элементов (рис. 5.2, в) на транзисторах выполнен предварительный усилитель, содержащий два каскада с ОЭ. Выходной усилитель собран на транзисторах , причем вместо нагрузочного резистора в коллекторной цепи транзистора может быть установлен трансформатор или другая нагрузка. Через резистор введена отрицательная обратная связь по постоянному току, так как ток базы транзистора зависит от этого сопротивления и . Конденсаторами уменьшается глубина отрицательной ОС в диапазоне рабочих частот. Конденсаторы СЗ, обеспечивают коррекцию амплитудно-частотной характеристики, предотвращая у усилителя потерю устойчивости (самовозбуждение). Коэффициент усиления и другие параметры зависят от навесных компонентов в полосе .

Выпускаются мощные усилители, к выходу которых может быть подключена значительная нагрузка. Так, микросхема обеспечивает получение выходной мощности и т. д. Некоторое представление о параметрах усилителей средней и большой мощности дает табл. 5.2. Коэффициент усиления по напряжению микросхем усилителей мощности обычно невелик (4—100). Поэтому для них, как правило, требуется предварительный усилитель, который выполняют на микросхемах малой мощности. В связи с достаточно большим входным сопротивлением мощных микросхем их согласование с предусилителями не вызывает трудностей. При этом емкости разделительных конденсаторов определяют в соответствии с изложенным в § 5.1.

Таблица 5.2

При получении мощностей свыше микросхемы надо размещать на теплоотводе (радиаторе), с помощью которого отводится рассеиваемая в ИС теплота. Для получения больших мощностей можно использовать дополнительные навесные транзисторы.

Микросхемы усилителей высокой и промежуточной частот, как правило, выполнены на основе дифференциальных усилительных каскадов, причем для расширения их функциональных возможностей коллекторные выводы транзисторов часто оставляют свободными, как, например, у микросхемы (рис. 5.3, а).

Рис. 5.3. Резонансный усилитель высокой частоты (а) и усилитель преобразователь высокой частоты

Это позволяет включать в цепь коллектора резисторы требуемого номинала или резонансные -контуры. Транзисторы образуют дифференциальный каскад. В коллекторные цепи транзисторов включен резонансный -контур. Чем выше его добротность, тем больше коэффициент усилителя. Сопротивление нагрузки подключается к выходу усилителя с помощью индуктивной связи. Напряжение на вход дифференциального каскада подано несимметрично, так как база транзистора по переменному току соединена с источником питания с помощью конденсатора СЗ. Если вместо резонансного контура в цепи коллекторов включить резисторы, то коэффициент усиления будет постоянный в широкой полосе частот.

При подаче на вывод 13 напряжения другой частоты коэффициент усиления дифференциального каскада будет меняться с этой частотой (см. § 4.8). Произойдет перемножение сигналов и в спектре выходного тока появятся составляющие в частотами Если колебательный -контур настроен на частоту , то в нем «выделится» составляющая сигнала только этой частоты. Микросхема выполняет функции усилителя-преобразователя частоты входного сигнала, причем огибающая выходного сигнала с частотой повторяет огибающую сигнала с частотой при неизменной амплитуде сигнала с частотой .

Коэффициент усиления по напряжению у микросхемы около 10, а верхняя граничная частота усиления (частота, при которой сохраняется гарантированная амплитуда ) равна 150 МГц.

В связи со сложностью усиления на высоких частотах усиливаемый сигнал иногда преобразуют в более низкую промежуточную частоту. Для этого применяют микросхемы усилителей-преобразователей частоты (смесителей), например типа (рис. ). От рассмотренной выше она отличается тем, что в ней имеется возможность создать внутри микросхемы генератор частоты . Для этого к выводу 5 подключен контур (контур гетеродина). Электронная часть, подключенная к контуру, выполняет роль отрицательного сопротивления и поддерживает в нем автоколебания амплитудой . Шунтирующие контур элементы вводятся для стабилизации режима генерации. Кроме того, в микросхеме имеется двухкаскадный предварительный усилитель на транзисторах , которые с помощью внешних соединений включаются в схему с ОЭ с непосредственной связью между каскадами.

Сложность, степень интеграции и функциональные возможности интегральных усилителей непрерывно повышаются. Целью этого является получение возможностей создавать на основе одной микросхемы крупные блоки электронного устройства.