СИЛЛАБУС 4 page

Бір ғана активтік (транзисторға) және бірнеше пассивтік элементтен құралған күшейткіш құрылғыны каскад деп атайды. Егер бір ғана каскадтың күшейту қабілеті жеткіліксіз болса, онда бірнеше каскадты тізбектей немесе параллель қосу арқылы бұл мәселені шешуге болады.

Электрондық күшейткіштер сигалдардың жиіліктеріне және олардың пішініне, яғни түр тұрпатына қарай бірнеше топқа бөледі:

1) төменгі жиіліктердің күшейткіштері (ТЖК) - жиіліктері бірнеше ондаған герцден бірнеше ондаған килогерцге дейінгі үздіксіз периодтық сигналдарды күшейтуге арналған электрондық құрылғылар;

2) тұрақты ток күшейткіштері (ТТК) -кернеу мен тогінің шамасы аса баяу өзгеретін, жиіліктер аумағы нөлден басталып бірнеше ондаған герцмен шектелетін сигналдарды күшейтуге арналған электрондық құрылғылар. ТТК автоматика және есептеу техникаларының құрылғыларында кеңінен қолданылады;

3) талғағыш күшейткіштер - жиіліктерінің төменгі және жоғарғы мәндері шектелген () сигналдарды күшейтуге арналған электрондық құрылғылар;

4) импульстік немесе кең жолақты күшейткіштер - жиіліктері бірнеше ондаған килогерцден бірнеше ондаған мегагерцге дейінгі үзік-үзік сигналдарды күшейтуге арналған электрондық құрылғылар.

Күшейткіштердің жұмыс күйі бірнеше техникалық көрсеткіштер арқылы сипатталады. Олардың ең маңыздылары:

1) күшейту коэффициенті - күшейткіштің кірісіне берілген шама оның шығысында неше есе өсіп шықанын көрсететін коэффициент. Оның күшейтетін шамаларына байланысты кернеу бойынша, ток күші бойынша және қуат бойынша күшейту коэффициенттері деп аталатын үш түрі болады.

Кернеу бойынша күшейту коэффициенті:

, (1)

мұндағы - күшейткіштің кірісіндегі, ал - күшейткіштің шығысындағы кернеулердің мәні.

Ток күші бойынша күшейту коэффициенті:

, (2)

мұндағы - күшейткіштің кірісіндегі, ал - күшейткіштің шығысындағы ток күшінің шамалары.

Қуат бойынша күшейту коэффициенті:

, (3)

мұндағы - күшейткіштің кірісіндегі, ал - күшейткіштің шығысындағы сигналдардың қуатының мәндері.

Егер күшейткіш құрылғы көптеген каскадтан құралса, онда оның күшейту коэффициенті:

. (4)

Жалпы күшейту коэффициентін логарифмдік бірлікпен-децибелмен көрсету өте қолайлы, өйткені адамның есту мүшесі қабылдайтын дыбыс қатаңдығы оған сәйкес дыбыс толқыны энергиясының өзгеруінің логарифміне пропорционал қатынаста болады. Бір бел өлшемге он есе күшейту сәйкес келеді, демек . Енді децибелмен бағалайтын болсақ, онда

,

,

; (5)

2) пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК):

, (6)

мұндағы - күшейткіштің шығысындағы пайдалы қуат, ал - барлық жұмсалған қуат;

3) күшейткіштің сезімталдығы - күшейткіштің қабылдайтын кіріс сигалының кернеуінің немесе қуатының минимал мәні. Қазіргі күшейткіштер үшін , ;

4) күшейткіштің кіріс кедергісі - күшейткіштің кіріс сигналының кернеуі түсетін кедергі, демек , ал шығыс кедергісі - күшейткіштің жүктемесі жоқ кезіндегі транзистордың коллектор және эмиттер аралық кедергісі.

5) күшейткіштің жұмыс жиілігінің ауқымы - күшейту коэффициенті тұрақты сақталатын ең төменгі және ең жоғарғы жиіліктерінің аралығы. Күшейткіштің ең төменгі және ең жоғарғы жиіліктерінің мәні, оның орташа жиілігіне сәйкес келетін күшейту коэффициентінің (1- сурет) мәнімен анықталады;

6) күшейткіштегі сигналдың бұрмалануы - күшейткіштің активті элементінің (транзистордың) вольт-амперлік сипатамасының сызықты тәуелділіктен ауытқуына байланысты оның шығысындағы сигналдың түр тұрпатының кірісіне берілген сигналмен сәйкестігі бұзылып, өзеріске ұшырау, жаңадан гармоникалық құрамалар пайда болу құбылысы. Мұндай бұрмалануды сызықты емес бұрмалану дейді. Ал кейде күшейткіштің сұлбасында индуктивтік орама және конденсатор сияқты реактивтік элементтердің болуына баланысты сигналдың жиіліктері мен фазаларында сызықты өзгерістер де байқалады.

1 - сурет

Негізгі әдебиет: [4-5]

Қосымша әдебиет: [ 3]

Бақылау сұрақтары:

1. Күшейткіш сигналдардың бұрмалануы дегеніміз не?

2. Күшейту коэффициенті дегеніміз не?

Дәріс 12.

Тақырып: Интегралдық микросұлбаларды құрастыру, дайындау технологиясы

Қарастырылатын сұрақтар: фотолитография, диффузия, эпитаксия металдау әдістеріне қысқаша сипаттама.

Дәріс мазмұны: Ең көп таралған интегралдық микросұлбалардың (ИМС) барлық элементтері бір көлемге немесе шала өткізгіш төсеніштің бетіне бір тұтас бөлшек түрінде орналасады. Мұндағы элементтерді сұлбалық ара байланыстарына сәйкес дайындап, оларды бір-бірне қосу, оқшаулау үшін мына бірнеше технологиялық әдістерді қолданады: кремний қабықшасын тотықтандыру, фотолитография, диффузия, эпитаксия, металдау.

Кремний қабықшасын тотықтандыру процесі 800-1200⁰С температурада оттегімен немесе су буымен қаныққан ортада жүріледі. Нәтижесінде кремнийдің сыртқы беті 0,1-ден 2-3 мкм тотыққан қабыршық қабатпен қапталады. Бұл қалыңдығы мкм - мен өлшенетін өте жұқа тотыққан қабыршық қабат жақсы диэлектриктің міндетін арқарады, сонымен қатар береген (донорлық) және алаған (акцепторлық) қоспаларды өткізбейді.

Фотолитография әдісімен астарлық қабатқа микросұлбаның конфигурациясын түсіреді. Ол үшін астарлық қабаттың үстінде фото сезгіш жұқа қабыршық қабаты болады. Фотолитография әдісімен өлшемі 2 мкм, өте кішкене элементтердің суретін үлкен дәлдікпен түсіретін фотошаблонды дайындауға болады. Ал, соңғы кездерде өлшемі 0,1 мкм – ге дейінгі элементтерді ажырату үшін сезгіштік қабілеті аса жоғары, электрон-сәулелік литография қондырғысын пайдаланады.

Диффузия әдісімен қоспа элементтердің атомдарын негізгі шала өткізгіштің ішкі кеңістігіне ендіреді. Оларда өткізгштігі әртүрлі, немесе текті қабат пайда болады. Қоспалық элементтердің диффузиялану тереңдігі диффузиялау уақытына және температураға тәуелді (800-1250⁰С) анықталады.

Эпитаксия деп шала өткізгіш кристалдың өткізгштігін бақылай отырып өсіру әдісін айтады. Эпитаксия әдісінің диффузия әдісінен бірнеше артық жақтары бар; диффузияланған қоспалық элементтердің кеңістік бойынша бірқалыпты орналасуы, дайындалған микросұлбадағы элементтердің сипаттамаларының жақсаруы, микросұлбаларды дайындау уақытының үнемделуі және т.б.

Металдау әдісінде пленкалық микросұлбадағы кремнийдің қос тотығынан жасалған диэлектрлік қабаттың үстіне орналасқан элементерді сұлбаға сәйкес қосып құрастыру үшін жұқа металл қабықшаны (пленканы) пайдаланады. Ол диэлектрлік қабаттың үстіне орналасады, активті және пассивті элементерді электродтары мен ұштарын қосып біріктіреді.

Пассивті элементерге резисторлар, конденсаторлар, индуктивті орамалар және элементтер аралық қосылыстар жатады

Жұқа пленкалы ИМС-ларда резисторлардың құрылымы өте қарапайым, ол екі контактілік ұштарының арасына омдық кедергісі жоғары жұқа металл қабықшадан (1а-сурет) немесе олардың әртүрлі пішінді конфигурациялары (1ә-сурет) арқылы жасалады.

1 - сурет

Резистордың кедергісін пленканың геометриялық өлшемдері анықтайды. Жіңішке ұзын, конфигурациялары күрделі болған сайын кедергісі жоғары болады. Металл пленканы нихром, тантал нитридының буларын тұндыру арқылы немесе керметтер деп аталатын металдар мен диэлектриктердің қоспасынан жасайды.

Жалпы ИМС-ларда резисторлар шала өткізгіштің ауысымының кедергісі негізінде де жасалады (1б-сурет). Ол үшін қоспаларды жергілікті диффузиялау әдісін қолданады. Қоспалардың диффузиялауы барысында астарлық қабатта транзистордың базалық және эмиттерлік қабаттары да пайда болады (1в-сурет). Бұлайша жасалған резисторларды диффузиялық деп атайды. Диффузиялық резисторлардың кедергісі 30 кОм - нан аспайды, ал эквиваленттік сұлбада көрсетілген барьерлік сыйымдылықтарының шамалары кішкентай, сондықтан оларды ескермесекте болады. Мұндағы -түйіспелер мен электродтардың кедергісі, ал -диффузиялық кедергі эпитаксиальды пленка мен астарлық қабаттың аралығында қалыптасатын транзистордың коллекторлық ауысымының және резистордың қабаты мен эпитаксиальды пленканың аралығында пайда болатын транзистордың эмиттерлік ауысымының кедергісінен құралады.

Жалпы ИМС-ларда жұқа пленкалық жасау әдісіне және ауысымының барьерлік сыйымдылығына негізделген екі түрлі конденсаторларды пайдаланады. Жұқа пленкалы конденсаторлар астарлары металл (2), олардың аралығына диэлектрик қабат (1) орналасқан металл-диэлектрик-металл түріндегі үш қабаттан құралады (2а-сурет).

Диэлектрик ретінде тантал тотығы, цинк сульфиді, алюминий тотығы және кремний мен германийдің моно тотығы қолданылады.

Кей кезде конденсатордың астарлары германийдің моно тотығынан жасалады. Ал олардың аралығына кремний тотығынан жасалған диэлектрик қабаты орналасады. Мұндай конденсатордың құрылымы мен эквиваленттік сұлбасы 2ә және б-суретте көрсетілген. Мұндағы -негізгі сыйымдылық, -шала өткізгіш қабаттың көлемдік кедергісі, -эпитаксиальдық қабат пен қабаттың арасындағы сыйымдылық, бұл қабат диодтың міндетін атқарады.

ИМС-лық конденсаторлар шала өткізгіштердің ауысымы арқылы да жасалады. Бұларды жасау технологиясы резисторларды жасау технологиясы ұқсас.

2 - сурет

Негізгі әдебиет: [5-6]

Қосымша әдебиет: [ 3]

Бақылау сұрақтары:

1. Эпитаксия дегеніміз не?

2. Диффузия әдісі дегеніміз не?

Дәріс 13.

Тақырып: Операциялық күшейткіштер

Қарастырылатын сұрақтар: операциялық күшейткіштердің негізгі сипаттамалары,

Дәріс мазмұны: Күшейту коэффициенттері өте жоғары, аналогтық шамалармен әртүрлі операциялар жасауға арналған және де электрлік сұлбасы кері теріс байланысқа негізделіп құрылған, тұрақты токтің дифференциалдық күшейткіштерін операциялық күшейткіштер деп атайды. Мұндай атау бастапқы кезде оларды көбінесе физикалық шамалармен қосу, азайту, көбейту, логарифмдеу және басқадай математикалық амалдар жасау үшін пайдаланатындығына байланысты қалыптасқан. Казіргі кезде операциялық күшейткіштерді генераторлардың, активтік филтьрлердің және басқада көптеген радиотехникалық элементтердің сұлбаларын құруға кеңінен пайдаланады.

1- сурет 2-сурет

Казіргі кезге дейін операциялық күшейткіштің К140, К153 және К740 сериялары көп таралған. К140-серияның көптеген жаңарған түрлері бар. Солардың ішінен ең қарпайымы К1УТ401 интегералдық микросұлба түрінде құрастырылған кең ауқымды операциялық күшейткіштің принциптік сұлбасы мен оның шарты белгісі жоғарыдағы 1- және 2-суретте көрсетілген. Оның екі кірісі (9 және 10) және бір симметриялық шығысы (5) бар.

Бірінші кірісі инвертирлейтін кіріс деп аталады. Инвертирлейтін кіріске берілген сигналдың фазасы мен таңбасы шығыс сигналымен қарама-қарсы болады. Ал, екінші кірісі инвертирлемейтін кіріс деп аталады. Инвертирлемейтін кіріске берілген сигналдың фазасы мен таңбасы шығыс сигналымен сәйкес келеді. Қоректендіруші ток көзі микросұлбаның 1 және 7 ұштарына ( және ) беріледі.

Кіріс каскады Т₁ және Т₂ транзисторлардың ортақ эмиттерлі дифференциалдық жұбына негізделген, оған базасына температураны компенсациялаушы Т₆ диод (Т₆ транзисторды диод ретінде пайдаланған) қосылған Т₃ транзисторды пайдаланып құрастырған, ішкі кедергісі үлкен токті тұрақтандырушы (екі полюсті элемент ретінде қарастыруға болатын) тізбек қосылған. Операциялық күшейткіштің кіріс каскадының негізгі міндеті - синфазалық бөгеуілі мүмкіндігінше аз, дифференциалдық сигналды жақсы күшейту.

Бірінші дифференциалдық каскадтың шығыс сигналы оның дифферециалдық шығысы ( және резисторлар) арқылы Т₄ және Т₅ транзисторға негізделген екінші дифференциалдық каскадқа беріледі. Мұнда синфазалық бөгеуіл үшін кіріс каскадындағыдай күшті талап қойылмайды. Сол себепті, эмиттер тізбегіндегі температураны компенсациялаушы элемент ретінде қарпайым резисторды пайдаланады.

Екінші дифферециалдық каскадтың біріншісінен өзгешелігі Т₄ транзистордың коллекторлық тізбегінде реактивтік кедергі жоқ. Оның себебі, бұл каскадтың басты міндеті - сигналды симметриялық кірістен симметриялық емес шығысқа өтуін қамтамасыз ету. Ал, екінші каскадтың күшейтуі тым жоғары емес, сондықтан реактивтік кедергінің қажеті болмайды. Сөйтіп, екінші каскадтың шығысындағы тұрақты кернеу Т₅ транзистордың коллекторлық тізбегінен алынады.

Операциялық күшейткіштің сұлбасында тұрақты және айнымалы токті ажыратушы элемент, аралық конденсатор болмайды. Сондықтан, арнаулы шара қолданбаса, сигналдың тұрақты құрамалары күшейткіштің шығысында пайда болуы мүмкін. Мұндай жағдайды болдырмау үшін шығыс каскадының алдына Т₇ және Т₈ транзисторға негізделген деңгей трансляторын орналастырады. Т₇ транзистордың эмиттері мен Т₈ транзистордың коллекторының аралығына қосылған резистор потенциалды төмендетеді, бірақ онымен бірге каскадтың күшейуі тым төмендемейді. резистор мен Т₈ транзистордың коллекторының кедергісі арқылы төменгі иінінің (транзисторлық) кедергісі өте үлен болатын кернеу бөлгіші пайда болады. Кернеу бөлгіші сигналды ешқандай шығынсыз шығыс каскадтың Т₈ транзисторының базасына береді.

Т₈ транзистордың эмиттер-базасының кернеуінің температуралық дрейфтік компенсациясын Т₆ транзистор қамтамасыз етеді.

Операциялық күшейткіштің Т₉ транзисторға негізделген шығыс каскады эмиттерлік қайталаушы сұлбасы бойынша құрастырылған. Ол сигналды қуат бойынша күшейтуге арналған. Бұл шығыс каскадтың күшейту мүмкіншілігі Т₈ транзистордың эмиттер тізбегіндегі бөлгіші арқылы шығыс кернеудің бір бөлігі кіріске берілетін оң кері байланысқа негізделген.

Т₇ және Т₉ транзисторлардың базаларының арасына қосылған Д₁ диод күшейткіштің шығысында қысқа тұйықталу болған кезде оның зарядтық сыйымдылығы шұғыл өзгерістердің бұрмалануын азайтуға көмектесетін үдеткіш конденсатордың (корректирлеуші элементтің) міндетін атқарады.

Күшейткіштің жұмысының тұрақтылығын микросұлбаның 1 және 12 ұштарының арасына қосылған корректирлеуші элемент қамтамасыз етеді. Төменгі жиілік үшін корректирлеуші элемент ретінде микросұлбаның 3 ұшына сыйымдылығы 0,01 мкФ конденсаторды қосады.

Операциялық күшейткіштер электрлік құрылымы және жұмыс принциптері кері байланыстың қандай түріне негізделгеніне байланысты бірнеше топқа бөлінеді.

Егер шығыс сигналының бір бөлігі инвертирлейтін кіріске берілсе, ондай байланысты теріс кері байланыс деп атайды. Мұндай жағдайда кері байланыс арқылы кіріске берілген кернеудің фазасы шығыс кернеуімен бірдей, ал инвертирлейтін кірістің кіріс кернеуімен қарама-қарсы келеді.

Егер шығыс сигналының бір бөлігі инвертирлемейтін кіріске берілсе, ондай байланысты оң кері байланыс деп атайды. Мұндай жағдайда кері байланыс арқылы кіріске берілген кернеудің фазасы инвертирлемейтін кірістегі кіріс кернеуімен сәйкес келеді. Тізбекті кері байланыс кезінде кіріс сигналы мен кері байланыс сигналы микросұлбаның әртүлі кірістеріне, ал параллель кері байланыс кезінде бір кірісіне беріледі.

Негізгі әдебиет: [5]

Қосымша әдебиет: [ 3]

Бақылау сұрақтары:

1. Инвентирленген кіріс дегеніміз не?

2. Теріс кері байланыс дегеніміз не?

Дәріс 14.

Тақырып: Талғағыш күшейткіштер

Қарастырылатын сұрақтар: операциялық күшейткіштердің негізгі сипаттамалары,

Дәріс мазмұны: Осыған дейін қарастырған күшейткіштердің күшейтетін сигналдарының жиіліктерінің ауқымын салыстырмалы түрде өте кең деп есептеуге болатындықтан, олардың жиіліктерінің ең төменгі және ең жоғарғы шекаралық мәндері үшін қатынасы орындалады.

Резистивті-сыйымдылықты байланысы бар күшейткіштер үшін шекті жиіліктерінің қатынасы , ал тұрақты ток күшейткіштері үшін болатындықтан ондай қатынастың мағнасы болмайды.

Мұндай күшейткіштер радиотехникалық және электроникалық құрылғыларда гармоникалық құрамаларының ауқымы кең кернеу немесе токті өсіру үшін қолданады. Бірақ, кейде сигналдың гармоникалық құрамаларың бір бөлігін немесе белгілі бір жиілігін ғана бөліп алып, ал қалған қажетсіз құрамаларын жойып жіберу қажеттілігі туындайды.

Сигналдың гармоникалық құрамаларының қажетті бөлігін ғана күшейтіп, ал қалған қажетсіз құрамаларын әлсірететін күшейткіштерді талғағыш кеүшейткіштер деп атайды. Талғағыш кеүшейткіштердің шекті жиіліктері үшін қатынасы орындалу керек.