Раздел 8 интегральные микросхемы

Научно-технический прогресс привел к широкому приме­нению электронной аппаратуры во всех отраслях и ускорен­ному ее развитию. Резко возросла сложность этой аппаратуры, одновременно все более повышаются требования к ее пара­метрам, надежности, снижению габаритов и массы, уменьше­нию потребляемой мощности. На первом этапе это достигалось за счет миниатюризации отдельных деталей (компонентов) электронных схем, но при этом требовалось значительное увеличение их количества, что создавало большие сложности в их проверке, транспортировке, сборке схем и эксплуатации устройств. Дальнейшее развитие шло по линии микромини­атюризации - создания микромодулей. Микромодуль пред­ставляет собой миниатюрный блок, изготовленный как единая объемная конструкция из отдельных микроминиатюрных деталей, соединенных электрически в соответствии с элек­тронной схемой и защищенных от механических повреждений от воздействия влаги. Микромодуль является функционально законченной частью электронной схемы. Однако плот­ность компоновки деталей в микромодуле невелика (до10 в 1 см3), теплоотдача хуже, а паразитные связи сильнее, чем в обычных устройствах. Кроме того, при неисправности невозможно заменить отдельную деталь, а надо заменить весь микромодуль.

Резкий скачок в совершенствовании электронных изделий внесло появление интегральных микроэлектронных схем (ИМС). Основные понятия о них даются по предмету «Основы электроники и микроэлектроники». Здесь мы кратко напомним

об этом и рассмотрим конкретные интегральные микросхемы, используемые в звуковоспроизводящей аппаратуре киноустановок.

Принципиальное отличие ИМС от всехэлектронных сис­тем, разработанных до них, состоит в том, что они не имеют отдельных радиодеталей.

Интегральной микросхемой называют микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразова­ния сигнала и представляющее единое целое при испытаниях, транспортировке и эксплуатации. Они могут выполнять функ­ции сложных электронных узлов: усилителей, генераторов, фильтров, выпрямителей, стабилизаторов напряжения или тока, элементов ЭВМ и т. д.

При изготовлении микросхем в объеме кристалла кремния или на поверхности основания создаются области р-типа, n-типа и р-n-переходы, образующие элементы электрической схемы: активные - транзисторы и диоды, пассивные - резис­торы и конденсаторы, а также проводниковые - для соеди­нения этих элементов. Все изделие помещается в герметизи­рованный корпус и имеет выводы.

Объединение (интеграция) всех элементов схемы в единую микроэлектронную конструкцию осуществляется в едином тех­нологическом процессе изготовления микросхем. Плотность компоновки интегральных схем велика - она может достигать десятков тысяч элементов в 1 см3.

Интегральные схемы могут быть полупроводниковыми и пленочными. В полупроводниковой ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника, обычно кремния. В пленочной ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены только в виде пленок различных материалов, наносимых на подложку. В связи с тем, что пленочные транзисторы и диоды пока еще имеют недостаточно устойчивые эксплуатационные свойства, получили распространение гибридные ИМС. Они представляют собой сочетание пленочных микросхем, содер­жащих только пассивные элементы, с микро миниатюрными навесными бескорпусными транзисторами и диодами. После монтажа навесных компонентов гибридная ИМС тоже заклю­чается герметизированный корпус и является неразделимым целым.

Элементом интегральной микросхемы называется ее часть, выполняющая функцию радиодетали, например, транзистора, диода, резистора, конденсатора. Элемент нельзя отделить от ИМС как самостоятельное изделие. Компонент интегральной микросхемы - это тоже ее часть, выполняющая функцию ра­диодетали, но в отличие от элемента компонент до монтажа ИМС является самостоятельным изделием в специальной упаковке и n принципе может быть отделен от изготовленной ИМС (например, навесной бескорпусный диод или транзистор в гибридной микросхеме).

Микросхемы разных типов наказаны на рис. 63.

В транзисторной звуковоспроизводящей аппаратуре киноустановок интегральные микросхемы используются для пред­варительного усиления сигнала, а также в качестве контроль­ного усилителя. Для этой цели применяются интегральные микроэлектронные усилители низкой частоты, а также опера­ционные усилители постоянного или переменного тока. Прин­ципиальные электрические схемы устройств, которые выполня­ются в виде интегральных микросхем, составляются с учетом возможности выполнения схемных элементов. Такие элементы электрических схем, как трансформаторы, дроссели, конден­саторы большей емкости, не поддаются интеграции и должны присоединяться I\ наружным выводам. Вместе с тем, увеличе­ние количества наружных выводов и внешних соединений снижает надежность схемы. Желательно иметь в принци­пиальной схеме как можно меньше таких элементов, которые присоединяются к ИМС извне.

Рис.63 Интегральные микросхемы

Это требование обусловило широкое применение в ИМС дифференциальных каскадов, гальванических межкаскадных связей, бес трансформаторных двухтактных каскадов и других схем, в которых не требуются блокировочные конденсаторы и конденсаторы связи. Жела­тельно использование схем, которые малочувствительны к ем­костным и гальваническим паразитным связям, возрастающим с уменьшением расстояния между элементами схемы. Необхо­димо применение отрицательной обратной связи по постоян­ному току для стабилизации исходного режима и по перемен­ному току для уменьшения искажений, помех и выходного сопротивления, а также для стабилизации усилительных свойств и параметров микросхемы.

В соответствии с принятой системой обозначений ИМС обозначение микроэлектронных интегральных усилителей со­стоит из нескольких элементов.

Первый элемент - цифра, показывающая группу микро­схемы по конструктивно -технологическому исполнению:

1, 5, 7 - полупроводниковые ИМС, причем 7 – бескорпусные; 2, 4, 6,8- гибридные ИМС, 3 - прочие ИМС (пленочные).

Второй элемент - двузначное число, означающее порядковый номер данной серии ИМС.

Первые два элемента вместе составляют полный номер серии интегральных микросхем, например, серия 140, серия 122, серия 553 и т. д.

Третий элемент - две буквы, первая из которых обозначает подгруппу ИМС по выполняемой функции (У - усилитель), а вторая соответствует виду ИМС по функциональному назна­чению, например, для усилителей: В - высокой частоты, Н - низкой частоты, Т - постоянного тока, Д - операцион­ные и дифференциальные и т. д. Примеры третьего элемента: УН, УТ, УД.

Четвертый элемент - число, означающее порядковый но­мер разработки в данной серии.

Пятый элемент - буква, ставится в тех случаях,,когда в данном типе ИМС имеется разброс электрических парамет­ров, и означает определенные значения этих параметров, ука­зываемые в справочниках для обозначения ИМС с данной буквой (например, А, Б, В, Г).

Для микросхем широкого применения в начале услов­ного обозначения ставят букву «К», например, К122УН 1 В.

До введения ГОСТ 18682-73 действовала старая система условных обозначений ИМС, имевшая два отличия от дей­ствующей после] 973 года. Во-первых, номер серии разде­лялся на две части: первый элемент оставался на своем месте (цифра, соответствующая конструктивно-технологиче­ской группе), а второй элемент (порядковый номер серии из двух цифр) ставился после двух букв третьего элемента. Иначе говоря, второй и третий элементы менялись местами. Во-вторых, было меньше подразделений в буквенном обо­значении подгруппы и вида ИМС по функциональному признаку и назначению. Например, все усилители синусо­идального сигнала обозначались буквами УС без деления по диапазону частот, а постоянного тока - УТ без выделения дифференциальных и операционных усилителей.

После 1973 года большинство ИМС получило новые обо­значения, но часть сохранило старые. Примеры изменения обозначения: старое - КIУС221В, новое - KI22YHIВ; ста­рое - КIУТ401Б, новое - КI40УДIБ.

Рассмотрим принципиальные схемы, схемы включения и основные технические данные некоторых интегральных полупроводниковых микросхем усилителей, применяемых в комплексах транзисторной звуковоспроизводящей аппара­туры киноустановок.

1. Самой простой из них является микросхема К122УНlВ (К 1 УС221 В) - двухкаскадный усилитель переменного тока низкой частоты серии К122. Его принципиальная электри­ческая схема приведена на рис. 28. Первый каскад построен

Рис.64 Принципиальная схема интегрального усилителя типа К122Н1В

по схеме с общим эмиттером; R1 - коллекторная нагрузка, R2 - резистор эмиттерной стабилизации исходного режима. Второй каскад может быть собран как по схеме с общим эмиттером, так и с общим кооллектором. В первом случае должны быть соединены выводы 8 и 9, и выходом является вывод 9; при этом R6 - коллекторная нагрузка, R7 - в цепи эмиттера для эмиттерной стабилизации и создания требуемого смещения Т2 с учетом непосредственной связи его с Т 1. Во втором случае соединяются выводы 7 и 9, а выходом является вывод 11; при этом эмиттерной нагрузкой служит R7, а R6 отключен. R3 является резистором развязывающего фильтра, а конденсатор фильтра подключается извне между выводами 10 и 1 (общий).

R4 и R5 создают отрицательную обратную связь по пос­тоянному току, охватывающую два каскада для создания смещения Т 1 и стабилизации исходного режима. Для устра­нения отрицательной обратной связи по переменному току к выводам 3, 5 и 11 относительно общего 1 можно подклю­чать конденсатор большой емкости.

. Источник питания подключается между 7 (плюс) и 1 (минус). Схема включения интегрального усилителя К122УН1В в комплексе звуковоспроизводящей аппаратуры К3ВП -14 приведена на рис. 65.

Рис.65 Схема включения интегрального усилителя К122Н1В

В этом комплексе интеграль­ная микросхема используется как блок предварительного усиления при работе от микрофона и линейного источника сигнала, а также как блок промежуточного усиления для всех источников сигнала.

Электрические параметры ИМС типа К122УН1

(А, Б, В, Г, Д)

Напряжение источника питания (+- 10%):

для К 1 УС221 (А, Б)

для КIУС221 (В, Г, Д)

Коэффициент усиления на частоте 12 кГц не менее:

для КIУС221А 250

для К1 УС221 Б 400

для К1УС22Ш 305

для КIУС221Г 500

для КIУС221Д 800

Входное сопротивление не менее 2 кОм

Постоянное напряжение на выходе не более:

для К1УС221 (А, Б) 2,8 В

для к1 УС221 (В, Г, Д) 9,6 В

Микросхемы серии К122 имеют металлостеклянный корпус с 12 выводами. Диаметр корпуса 8,5 мм, а основания 9,5 мм, высота корпуса 4,6 мм, длина выво­дов 20 мм. Масса микросхемы 1,5 г.

2. Микросхема К140УДl (К1УТ401) представляет собой операционный усилитель постоянного или переменного тока из серии К140 в таком же корпусе, как микросхемы се­рии К122. Эта микросхема используется в качестве входного узла для предварительного усиления сигнала команд с мик­шерского пульта в контрольном усилителе УК37 комп­лекса «Звук Т2-100».

Рис.66 Принципиальная схема интегрального усилителя типа К140Д1Б

Принципиальная электрическая схема интегрального микроэлектронного усилителя К140УДl (А, Б) приведена на рис. 66. Операционным усилитель называется потому,

что его основное назначение состоит в выполнении опре­деленных математических операций в электронных вычис­лительных машинах (ЭВМ). Но операционные усилители могут также при меняться как усилители постоянного токаи усилители низкой частоты. В операционных усилителях первые каскады обычно строятся по дифференциальной схеме. Поэтому усилитель имеет два входа. При подаче сигнала на один из входов выходной сигнал получается в той жефазе, что и на входе: его называют неинвертиру­ющим. При подаче сигнала на другой вход фаза сигнала на выходе получается противоположной; этот вход называется инвертирующим.

В усилителе К140УДl первый каскад выполнен по сим­метричной дифференциальной схеме на транзисторах Т 1 и Т2. Резисторы R 1 и R2 - коллекторные нагрузки. В общей эмиттерной цепи в качестве динамического сопро­тивления включен токостабилизирующий двухполюсник на транзисторе ТЗ с общей базой. Постоянный потенциал его базы создается транзистором Т4, включенным как диод, так как его коллектор соединен с базой и коллекторный р-n-переход этим закорочен. Второй каскад построен на транзисторах Т5 и Т6 по несимметричной дифферен­циальной схеме: транзистор Т5 включен с общим коллек­тором, а транзистор Тб - с общим эмиттером; R8 - коллек­торная нагрузка Т6, с коллектора которого снимается сигнал на следующий каскад.

Третий каскад на транзисторе Т7 работает как эмиттерный повторитель и передает сигнал без изменения на базу тран­зистора Т9. При этом каскад на транзисторе Т7 снижает постоянный потенциал базы транзистора Т9 доуровня потенциала общего контакта 4 - средней точки источников питания ЕКI и ЕК2, создавая тем самым требуемый режим по постоянному току транзистора Т9 для получения макси­мального неискаженного сигнала. Понижение постоянного

напряжения на базе Т9 достигается с помощью делителя, гася­щим плечом которого является резистор R9, а рабочим ­транзистор Т8, включенный с общей базой как токостабили­зирующий двухполюсник. Его сопротивление постоянному току во много раз меньше, чем переменному. Потенциал базы ТВ, как и ТЗ, поддерживается постоянным транзисто­ром Т4 в диодном включении.

Выходной каскад на транзисторе Т9 работает по схеме эмиттерного повторителя. Его нагрузка в цепи эмиттера сос­тоит из резисторов R11 и R12. С делителя R11-R12 через R 10 и Т8 осуществляется «следящая» положительная обрат­ная связь в выходном каскаде, устраняющая возможность увеличения нелинейных искажений из-за ограничения ампли­туды большого сигнала. Это позволяет увеличить максимальный сигнал при низком напряжении питания.

Схема включения микроэлектронного усилителя в К140УДl контрольном усилителе УКЗ7 аппаратуры типа «Звук Т» приведена на рис. 67. Питание усилителя осуще­ствляется от двух последовательно соединенных источников

Рис.67 Схема включения интегрального усилителя К140Д1Б

постоянного тока. К выводу 7 подключается +Е к1 а к вы­воду 1 подводится -Е К2. Точка соединения источников питания подключена к выводу 4. Сигнал от микрофона, включенного на микшерском пульте, поступает через R1 и С1 на инвентирующий вход 9. Выходной сигнал с вы­вода 5 идет для дальнейшего усиления на оконечную часть контрольного усилителя. На неинвертирующий вход 10 по­дается постоянное напряжение для создания исходного режима первого каскада с помощью делителя R2-RЗ. Микросхема охвачена отрицательной обратной связью по постоянному току с помощью резисторов R7 и R4 для стабилизации исходного режима, а также по перемен­ному напряжению с помощью двухделителей: первый со­стоит из R7, R5, R 6и СЗ, а второй - из R4 и входного сопротивления. Переменный резистор R6 служит регуля­тором громкости. Конденсатор С2 устраняет возможность возникновения генерации на сверхзвуковых частотах.

Электрические параметры ИМС типа К140УДl (А, Б)

Напряжение источников питания (+- 5%)

для К140УДIА ± 6,3 В

для К140УДIБ ± 12,6 В

Потребляемый ток не более

для К140УДIА 4,2 мА

для К140УДIБ 8,0 мА

Коэффициент усиления

для К140УДIА от 400 до 4500

для К140УДlБ от 1300 до 12000

Входной ток не более

для К140УДIА 8 мкА

для К140У Д} Б 12 мкА

Разность входных токов не более 3 мкА

Напряжение смещения пуля не более ± 10 мВ

Напряжение выходного сигнала не менее

для К140УДIА ± 2,8 В

для К140УД 1Б ± 5,7 В

Предельные эксплуатационные данные:

Диапазон рабочей температуры от -10 до + 700 с

Максимальный выходной ток 20 мА

Максимальный входной ток 16 мкА

3. Микросхема К553УД2А - операционный усилитель общего назначения. Эта микросхема серии К553 применена в комплексах двухканальной аппаратуры «Звук Т2-25-2» и «Звук Т2-50-2». На двух микросхемах этого типа построен предварительный усилитель УП8. В оконечном усилителе УО 16 входная часть также построена на двух таких микросхемах. Каждая микросхема питается двух полярным напря­жением: +- 15 В (+- 1 0%), входное сопротивление 300 кОм, выходное 300 Ом. Микросхема оформлена в прямоугольном пластмассовом корпусе и имеет 12 выводов.

Принципиальная электрическая схема интегрального полупроводникового усилителя К553УД2А дана на рис. 68, а типовая схема включения - на рис. 69. Конденсатор С1 служит для предотвращения генерации На сверхзвуковых частотах. Между выходом и входом обычно включаются эле­менты, создающие цепи отрицательной обратной связи по постоянному и переменному току.

Рис.68 Принципиальная схема интегрального усилителя типа К553УД2А

Рис.69 Схема включения интегрального усилителя К553УД2А

Рис.70 Принципиальная схема интегрального усилителя типа К174УН7

Рис.71 Схема включения интегрального усилителя К174УН7

4. Микросхема К174УН7 является усилителем мощности низкой частоты. На такой микросхеме построен каждый канал двухканального KOHTPO,ТIЬHOГO усилителя УК6 звуко­воспроизводящей аппаратуры «Звук Т2-25-2» и «Звук Т2-50-2». Номинальная выходная мощность усилителей 4,5 Вт на на­грузке 4 Ом, номинальное напряжение питания + 15 В. Не допускается применение микросхемы без теплоотвода.

Принципиальная электрическая схема микроэлектронного усилителя мощности серии К174 дана на рис. 70, а типовая схема ее включения на рис. 71. Оконечный мощный каскад построен по бестрансформаторной двухтактной схеме на составных транзисторах.

Микросхема содержит элементы, выполняющие функции 17 транзисторов, 17 резисторов и 5 диодов.

Вопросы для самопроверки

1. Что представляют собой интегральные микросхемы?

2. Какие преимущества и недостатки интегральных микросхем по сравнению с электронными устройствами на отдельных радиодеталях?

3, Что называется элементом микросхемы?

4, Что называется компонентом микросхемы?

5. Какие ИМС называются полупроводниковыми?

6. Какие ИМС называются пленочными?

7. Какие ИМС называются гибридными?

8. Из каких элементов состоит условное обозначение интегральных

микроэлектронных усилителей? Дать примеры.

9. Какие ИМС используются в звуковоспроизводящей аппаратуре

кинотеатров, и какие функции они выполняют? Привести примеры.