Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику

Вводятся примеси. Способов много — например, ионная имплантация. В вакуумной камере мощная «пушка» излучает поток ионизированных атомов примеси. Лучик их очень узок, измеряется микрометрами. Длительность экспонирования определяет количество введенной примеси. Или, например, диффузионный способ. На кристалл наносят строго дозированные микроскопические капельки примеси, и затем кристалл нагревается в электроиндукционной печи и расплав примеси диффундирует в толщу полупроводника на строго заданную глубину. Есть множество хитроумных и сложных технологических процессов, в результате которых и получается современная интегральная микросхема. Производство их сложно, но уж если поточная линия и все технологические процессы отлажены, микросхемы можно «штамповать» десятками тысяч, и все затраты с лихвой окупаются. Разработана так называемая групповая технология, с помощью которой на одной кремниевой пластине сразу изготавливают сотни микросхем.

На рисунке показаны, как говорится, «год нынешний» и «год минувший». Одинаковые металлические корпусы диаметром 10 и высотой 8 мм. Различить детали внешне можно только по числу выводов и по маркировке на корпусе. Слева транзистор МП26 выпуска 1971 года. У него всего три вывода. Он может усилить сигнал в 30 раз, можно на нем построить генератор. Правда, в обоих случаях надо еще десяток внешних элементов, главным образом резисторов. Значит так: нужно разработать и изготовить печатную плату, сделать монтаж, наладить изготовленное устройство. И места оно займет порядочно…

Справа интегральный операционный усилитель К140УД8А выпуска 1982 года. Восемь выводов. Коэффициент усиления 50 000. Вход практически не шунтирует источник сигнала — входное сопротивление более 1000 МОм (миллионов ом!). Выход, правда, маломощный (допустимое сопротивление нагрузки 2 кОм), зато и потребляемый от источников питания ток составляет всего 3 мА. Заметен прогресс? То ли еще будет, когда мы обратимся к цифровой технике. А пока подробнее об этом и подобных ему усилителях.

От биполярного транзистора к операционному усилителю.

Операционный усилитель один из самых главных «кирпичиков» современной аналоговой электроники. Он спроектирован так, чтобы удовлетворить самым взыскательным требованиям разработчиков электронной техники. Вот его обозначение:

Операционный усилитель.

У операционного усилителя два входа: неинвертирующий, обозначенный «+», и инвертирующий, обозначенный «—». Если на неинвертирующий вход подать положительный потенциал, то потенциал на выходе возрастет. Но если положительный потенциал подать на инвертирующий вход, потенциал на выходе уменьшится.

А если одинаковый потенциал подать сразу на оба входа? Потенциал выхода не изменится. Как и полагается усилителю с дифференциальным входом, операционный усилитель реагирует только на разность потенциалов между входами и хорошо подавляет одинаковые сигналы на входах или, как говорят специалисты, синфазную составляющую входного сигнала.

При интегральной технологии нет нужды экономить на транзисторах. Если уж процесс изготовления отработан, то практически не имеет значения, сколько транзисторов расположено на пластинке полупроводника. Интегральная микросхема изготавливается с помощью станков-автоматов в едином технологическом процессе. Размеры самих транзисторов составляют микрометры, а размер кристалла — миллиметры. Поэтому и десять тысяч транзисторов для одной микросхемы — не предел. Это принесло большую пользу инженерам-проектировщикам микросхем и позволило воплотить в жизнь множество интересных и полезных схемотехнических решений. Например, при нагреве параметры одного транзистора изменяются, и его коллекторный ток возрастает. Значит, при нагреве надо уменьшить напряжение смещения транзистора. Это делает другой транзистор, включенный в цепь смещения. Более того, включим пару транзисторов по дифференциальной схеме. Тогда, несмотря на то, что ток обоих транзисторов при нагреве возрастает, разность токов, которая и определяет полезный выходной сигнал, практически не меняется. Благодаря этому операционный усилитель оказывается термостабильным. Температурный «дрейф» его не превосходит нескольких десятков микровольт на градус, тогда как у усилителя на дискретных элементах он в десятки раз больше. Хотя термостабильность и достигается ценой применения в микросхеме десятков транзисторов, при интегральной технологии это никого не волнует.

А вот начертить внутреннюю принципиальную схему современного интегрального усилителя оказывается непросто — по сложности она приближается к схеме, скажем, обычного телевизора! Но теперь уже нет необходимости интересоваться внутренним устройством усилителя — вполне достаточно знать его внешние параметры. А на схемах усилитель изображают просто треугольником, особо не задумываясь над тем, что у него внутри!

Рассмотрим на простых примерах, как можно использовать высокие собственные параметры операционных усилителей. Пример первый: нужно усилить напряжение звуковой частоты. Ранее мы научились строить усилители мощности на комплементарных транзисторах, а усилитель напряжения оставили «на потом». Сейчас это «потом» наступило, и вот перед вами простейшая схема усилителя напряжения. Источником сигнала служит микрофон, подключенный к неинвертирующему входу. Источниками могут быть и термопара, и детектор радиоприемника, и многое другое. Цепочка из двух резисторов R1 и R2 образует цепь обратной связи. Зачем она нужна?

Польза от нее огромная. Собственный коэффициент усиления операционного усилителя очень велик, что на практике никогда не нужно. Но он позволяет ввести глубокую отрицательную обратную связь, а она резко снижает искажения усилителя и выравнивает его частотную характеристику. В результате усилитель вносит пренебрежимо малые искажения в очень широкой полосе частот, что как нельзя лучше соответствует современным требованиям к усилителям. Посмотрим на схему.

Усилитель звуковых частот.

Малейшая разность потенциалов между входами изменяет потенциал выхода. Последний передается снова на инвертирующий вход через делитель напряжения R1R2. Пусть, например, входной потенциал на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем. Потенциал выхода немедленно увеличится и повысит через делитель потенциал инвертирующего входа. Если же на инвертирующем входе потенциал возрастет, то потенциал выхода уменьшится. Значит, напряжение на инвертирующем входе почти точно соответствует входному, а выходное напряжение в R2/R1 раз больше. Что же получилось? Коэффициент усиления приведенного усилителя определяется только отношением сопротивлений двух резисторов и не зависит от свойств самого операционного усилителя. Лишь бы он был близок к «идеальному», т. е. обладал как можно большим усилением. Следовательно, коэффициент усиления при наличии обратной связи очень стабилен и не подвержен изменениям при нагреве, колебаниях питающих напряжений и воздействии подобных факторов.

На операционном усилителе можно выполнить (или, как говорят, «собрать») много других устройств: генераторы напряжений прямоугольной или треугольной формы, интегратор, дифференциатор, сумматор сигналов и т. д.

Посмотрите, например, на схему сумматора.

Сумматор.

Все входы через одинаковые резисторы R присоединены к инвертирующему входу операционного усилителя. Сюда же подан сигнал обратной связи через резистор с сопротивлением KR. Значит, это устройство не только суммирует сигналы, но и усиливает их по напряжению в К раз. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим проводом или, как говорят, он «заземлен».

Но вернемся ко входам усилителя. Если на заземленном неинвертирующем входе нет сигнала, то его практически не будет и на инвертирующем. Куда он исчезнет? Скомпенсируется сигналом обратной связи. Например, напряжение сигнала в 1 мВ на любом из входов 1–3 вызовет появление напряжения К мВ на выходе. А на инвертирующем входе усилителя произойдет почти полная взаимная компенсация этих напряжений. Мы говорим «почти», имея в виду тот факт, что собственный коэффициент усиления операционного усилителя все-таки не бесконечен. Инвертирующий вход усилителя в этой схеме часто называют виртуальной или искусственной «землей», подчеркивая отсутствие на нем напряжения сигнала. Но если так, то источники сигнала оказываются независимыми и не мешают друг другу — сигнал одного источника никогда не попадет в другой. Получается полная «развязка» источников.