Аналоговые интегральные схемы (АИС).

ЦИФРОВАЯ И АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

 

Интегральная микросхема (интегральная схема, ИС, ИМС)

- микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала, имеющее высокую плотность упаковки элементов и соединений между ними, рассматриваемое как единое целое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации ИППЭ).

Элемент ИС - часть микросхемы, реализующая функцию какого - либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к ИППЭ.

Компонент ИС - часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к ИППЭ.

Подложка - основание из полупроводника, на поверхности или в объеме которого создаются элементы ИС.

Полупроводниковая ИМС - микросхема, все элементы которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Пленочная ИМС - микросхема, все элементы и соединения которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность подложки.

Гибридная ИМС - микросхема, которая содержит кроме элементов компоненты ИС.

Корпус ИС - часть конструкции ИС , предназначенная для ее защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов.

Кристалл (чип) - часть подложки, на которой размещаются все элементы, соединения и контактные площадки одной микросхемы.

Серия ИС - совокупность типов микросхем, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения, что означает их согласование по входным и выходным сигналам, а также по источникам питания.

Интегральные схемы можно классифицировать по различным признакам. На рис.2.3.1 приведена наиболее распространенная классификация ИС, а на рис.2.3.2, 2.3.3 представлены условное и буквенные обозначения ИМС соответственно [11].

 

 

Рис.2.3.1. Классификация ИС

 

 

Рис.2.3.2. Условное обозначение ИС

 

Рис.2.3.3. Буквенные обозначения ИМС

 

 

 

АИС предназначены для различных преобразований электрических сигналов(усиления, модуляции, генерирования, детектирования и др.). Выходной сигнал в них является непрерывной функцией входного. Одна из возможных классификаций АИС имеет вид, приведенный на рис.2.3.4

 

 

Рис.2.3.4. Классификация аналоговых интегральных схем

 

Усилители в интегральном исполнении

 

Широко распространенным устройством аналоговой схемотехники является усилитель. В любом усилителе рабочая точка характеристики активного элемента выбирается: а)в середине активной области при усилении двухполярного сигнала; б) на границе активной области, если усиливается сигнал одной полярности .

В качестве активного элемента наиболее часто применяют биполярные транзисторы п-р-п типа.

Характерной чертой интегральных усилителей являются непосредственные связи между каскадами. Это обусловлено тем, что трансформаторная связь в аналоговых интегральных схемах (АИС) невозможна, а емкостная связь используется очень редко в связи с тем, что конденсаторы занимают слишком много площади кристалла. Непосредственные связи между каскадами в аналоговых схемах являются причиной некоторых неудобств: приходится принимать специальные меры для устранения влияния постоянной составляющей, присутствующей в сигнале предыдущего каскада.

К усилителям предъявляются ряд требований, которым они должны удовлетворять. Усилитель должен иметь:

хорошую стабильность тока;

большой коэффициент усиления по напряжению;

приемлемые частотные свойства;

малое Rвых и большое Rвх.

Усилитель постоянного тока

 

Рассмотрим особенности построения самого простого усилительного элемента аналоговой интегральной схемотехники - усилителя постоянного тока (УПТ).

Схема УПТ приведена на рис.2.3.5. В состав УПТ входит транзистор VT, нагрузочный резистор R_K , резистор в эмиттерной цепи R_Э и два отдельных источника для питания коллекторной и эмиттерной цепей + Ек и - Еэ соответственно. Входной сигнал Uвх поступает с предыдущего каскада, имеющего эквивалентное выходное сопротивление Rвых п-1.

 

 

Рис.2.3.5. Усилитель постоянного тока

Следует отметить, что данная схема по своим параметрам не удовлетворяет предъявляемым к усилителям требованиям, в частности, по коэффициенту усиления. Кроме того, одновременная реализация всех этих требований простыми схемами УПТ проблематична. В этой связи широкое распространение получили различные схемы дифференциальных и операционных усилителей.

Ниже (рис.2.3.6) приведены принципиальные схемы некоторых применяемых в РЭТ УПТ.

 

 

Рис.2.3.6. ИМС К118УН2А (слева) и КР119УТ1 (справа)

 

Эмиттерные повторители (ЭП). Общие сведения об ЭП.

 

Еще одним типом широко используемого усилительного каскада является ЭП, который имеет:

коэффициент усиления по напряжению близкий к 1;

большой коэффициент усиления по току: он определяется параметрами используемого транзистора (для кремниевых транзисторов типичное значение 100);

большое входное сопротивление;

малое выходное сопротивление.

Типичная схема имеет следующий вид (рис.2.3.7)

 

Рис.2.3.7. Эмиттерный повторитель

Вход и выход ЭП являются несимметричными, т.е. входное и выходное напряжения отсчитываются относительно нулевого уровня (корпуса).

Особенностью ЭП является раздельное питание коллекторной Ек и эмиттерной Еэ цепей. Если напряжение Ек и Еэ равны по величине и противоположны по знаку, то такой источник называется расщепленным источником. Расщепленный источник реализуется проще, чем два независимых источника. Если Ек и Еэ разные по величине, то такое питание называется двуполярным питанием.

Микроэлектронные ЭП, в основном, используются с расщепленным питанием.

 

Составные транзисторы

 

Источником сигнала для ЭП чаще всего является источник напряжения со слабой способностью отдавать ток (с большим внутренним сопротивлением Ri),т.к. в других случаях применение ЭП нецелесообразно. Если ЭП работает от источника сигнала с большим Ri, то Rвыхтакже будет иметь повышенное значение, и, следовательно, выход ЭП в данном случае является источником напряжения с ограниченной способностью отдавать ток. Решение задачи увеличения входного и уменьшения выходного сопротивления может быть достигнуто каскадированием эмиттерных повторителей. Чтобы достичь предельных значений практически достаточно каскадирования двух ЭП (рис.2.3.8). При каскадировании двух ЭП на каждый из них возлагаются различные задачи. ЭП на VT1должен иметь по возможности более высокое входное сопротивление, чтобы не нагружать источник входного сигнала. При этом величина выходного сопротивления не играет роли, важен только тот факт, что сопротивление источника входного сигнала для второго ЭП будет уменьшено в ( β+1) раз:

 

 

Рис.2.3.8. Каскадирование двух ЭП Рис.2.3.9. Схема Дарлингтона

 

Чтобы RвхVT1было большим, резистор R_э1должен иметь по возможности большую величину. В принципе он может отсутствовать вообще (что практически и делается), а его роль выполняет входное сопротивление второго ЭП (рис.2.3.9) для увеличения входного сопротивления ЭП на VT1 транзистор должен иметь большое значение коэффициента β1.. При этом транзистор VT2будет работать в режиме больших коллекторных токов, т.к. его базовый ток Iб2 является эмиттерным током VT1. Следовательно, базовые токи VT1и VT2отличаются приблизительно на два порядка. Для облегчения электрического режима транзистора VT2 в цепь его базы часто включают источник стабильного тока (Рис.2.3.10). Такое соединение транзисторов называется составным или схемой Дарлингтона (на схеме обведено пунктиром, см.также рис.2.2.24,а). Рассмотренный составной транзистор на двух транзисторах п-р-п типа ведет себя как один транзистор п-р-п типа. Можно получить составной транзистор с аналогичными свойствами, соединив соответствующим образом транзисторы п-р-п и р-п-р типов (рис.2.3.11). Такая схема, называемая иногда схемой Шиклаи, ведет себя как один транзистор р-п-р типа с результирующим коэффициентом усиления по току, равным βэкв=β1β2+β1.

 

Рис.2.3.10. Составной транзистор Рис.2.3.11. Схема Шиклаи

 

Источники стабильного тока (ИСТ). Общие сведения об ИСТ.

 

Источник тока -это устройство, способное поддерживать неизменный (стабильный) ток в нагрузке, независимо от ее величины. Кроме того, этот ток не должен зависеть от изменений (пульсаций) питающего напряжения, температуры. Идеальный источник тока имеет горизонтальную ВАХ (рис.2.3.12).

 

Рис. 2.3.12. ВАХ источника стабильного тока

К сожалению, реально получить горизонтальную ВАХ невозможно. Характеристики реальных источников (рис.2.3.12) имеет наклон (не строго горизонтальны) и конечный рабочий участок (аб), за пределами которого угол наклона ВАХ резко увеличивается. На рис. 2.3.12 Uт - это напряжение на токостабилизирующем элементе (на выводах источника тока). Участок ВАХ, который характеризуется минимальным и постоянным углом наклона, является рабочим участком источника тока. Диапазон напряжения Uтна выводах источника тока, соответствующий этому участку, называется рабочим диапазоном по напряжению. На рис. 2.3.12- это участок а - б . С целью эффективного использования источников питания желательно, чтобы рабочий диапазон по напряжению по возможности был ближе к величине питающего напряжения. При практическом применении электронных схем один из полюсов источника питающего напряжения соединяют с корпусом за исключением уже упомянутого расщепленного источника.

Рассмотрим случай заземления отрицательного полюса источника питания. В этом случае схема будет иметь вид (рис.2.3.13).

Источник тока питает нагрузку, второй вывод которой соединен с корпусом. Источники тока, предназначенные для питания таких нагрузок, называются источниками тока для заземленной нагрузки.

 

Рис.2.3.13. Схемы включения источников стабильного тока

Если соединить с корпусом положительный полюс источника питания (рис.2.3.13), то такой источник называется источником тока для незаземленной нагрузки. Несмотря на простоту приведенных схем, практические реализации источников тока для заземленных и незаземленных нагрузок оказываются различными.

Номинальным режимом источника тока является режим короткого замыкания. При этом Uн=0, a Uт=U1 Отсюда следует, что питающее напряжение U1 должно находиться в пределах рабочего участка источника тока, т.е. внутри участка а-б вблизи точки б. При увеличении сопротивления нагрузки Rн на ней увеличивается падение напряжения и источник тока уменьшает напряжение на стабилизирующем элементе так, чтобы через нагрузку протекал неизменный ток Iо.

В реальных источниках тока в качестве токостабилизирующих элементов используются транзисторы. Существует много разновидностей источников тока, однако наиболее широкое практическое применение нашел источник тока, известный под названием "токовое зеркало" или отражатель тока. В силу своих положительных качеств (относительной простоты и хорошей технологичности) токовое зеркало практически вытеснило все остальные типы источников тока.

 

Токовое зеркало (ТЗ)

Токовое зеркало - это источник тока, величина которого управляется внешним током Iу.

Основная схема ТЗ на транзисторах п-р-п типа приведена на рис.2.3.14

 

Рис.2.3.14. ИСТ – токовое зеркало

Транзисторы VT₁ и VТ₂должны работать в активном режиме. Следовательно, коллектор VT₂должен подключаться к положительному полюсу источника питания (т.е. это источник тока для незаземленной нагрузки). Основой ТЗ является согласованная пара однотипных- транзисторов, размещенных на одной пластине в непосредственной близости друг от друга. Идентичность параметров транзисторов автоматически достигается в процессе планарной технологии производства ИМС.

Каскады сдвига уровня

Каскады сдвига уровня предназначены для сдвига уровня постоянной составляющей и передачи переменной составляющей без искажений.

Основой схем сдвига уровней является эмиттерный повторитель. Типовая схема изображена на рис.2.3.15

 

Рис.2.3 15. Каскад сдвига уровня

 

Выходные каскады

Выходной каскад должен обладать:

максимально возможным выходным напряжением, близким к напряжению питания, с целью увеличения динамического диапазона;

низким выходным и высоким входным сопротивлением;

максимальным ресурсом выходного тока для согласования с различными нагрузками;

малой потребляемой мощностью в отсутствии входного сигнала. При этом выходной каскад обладает наибольшим КПД и экономичностью. В связи с этим выходные каскады, работающие в режиме класса А применяются редко. Типичным представителем выходного каскада класса А является рассмотренный ранее ЭП, у которого рабочая точка выбрана в середине активной области.

Наиболее распространены двухтактные схемы класса В и АВ. В них основу составляет последовательное соединение двух транзисторов п-р-п и р-п-р) с общим управлением (рис.2.3.16), каждый из которых работает в режиме ЭП, усиливающего одну из полуволн (VT1 - положительную, VT2 отрицательную полуволну) входного сигнала .Это выходной каскад класса В. Выходные характеристики транзисторов VT1 ,VT2 изображаются различными ветвями ВАХ и имеют зону нечувствительности ± 0,6 В, обусловленную пороговыми значениями р-п переходов база-эмиттер. В итоге выходной токовый сигнал имеет значительные нелинейные искажения, а каскад, несмотря на свою экономичность (при Uвх= 0 потребляемая мощность тоже равна нулю, т.к. транзисторы VT1 , VT2 заперты), нечувствителен к слабым сигналам менее 0,6 В ( на рис.2.3.16 эта область заштрихована).

 

Рис.2.3.16. Выходной каскад класса В

Для устранения этого недостатка выходной каскад усложняют, вводя раздельные смещения на базы транзисторов с помощью схем сдвига уровня (рис.2.3.17,б) и тем самым переводя каскад в режим класса АВ. Напомним, что под классом АВ понимают промежуточный случай между классами А и В, когда рабочая точка лежит не на границе отсечки (класс В), а в области прямых смещений эмиттерного перехода, но при токах, значительно меньших, чем в классе А.

Введенные диоды VD1 и VD2 смещения так сдвигают ВАХ транзисторов VT1 и VT2) , что используются только линеаризованные участки ВАХ (рис.2.3.17,а) и выходная характеристика соответствует экономичному каскаду с минимумом нелинейных искажений.

 

 

а б

Рис.2.3.17. Выходной каскад класса В

 

Дифференциальные усилители. Основные определения и характеристики.

 

При рассмотрении УПТ были отмечены трудности, связанные с реализацией минимальной величины дрейфа нуля. Было показано, что уменьшение дрейфа нуля возможно за счет снижения коэффициента усиления. Для устранения этого противоречия был разработан новый класс усилителей - дифференциальные усилители, ставшие типовыми широко применяемыми элементами интегральной схемотехники.

ДУ предназначен для усиления разности напряжений, действующих на входах.

В основу ДУ заложен новый подход к снижению дрейфа нуля - его взаимокомпенсация за счет тщательного предварительного симметрирования элементов схемы.

Классический ДУ, в отличие от обычного УПТ, имеет симметричный вход и симметричный выход ( рис. 2.3.18).

 

Рис.2.3.18.Дифференциальный усилитель

Классическая схема симметричного ДУ показана на рис.2.3.19 Фактически она представляет два идентичных УПТ (см. рис.2.3.5), у которых эмиттеры соединены вместе.

 

Рис.2.3.19. Дифференциальный каскад

Операционные усилители (ОУ)

 

ОУ в настоящее время является наиболее универсальными из всех известных усилителей. Его применение не ограничивается только усилительными функциями.

ОУ представляет собой дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом и несимметричным выходом по напряжению.

Схематичное изображение ОУ показано на рис.2.3.20

 

Рис.2.3.20.Оперционный усилитель

Минимальное число сигнальных выводов в ОУ три: два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и выход. Четвертый сигнальный вывод – корпус (земля) – может реализован либо физически (рис.2.3.20,б), либо потенциально при помощи расщепленного источника (рис.2.3.20,в).

ОУ можно характеризовать многими различными способами в зависимости от их схем, возможных применений, технологии изготовления и т.д [11].

Исходя из определения ОУ, его структура очевидна: первым каскадом должен быть ДУ; для большого усиления нужно последовательно соединить несколько каскадов; каким – то образом осуществить переход от симметричного входа к несимметричному выходу. Выходной каскад должен быть ЭП, как обладающий наименьшим выходным сопротивлением, структурные схемы ОУ первого и второго поколений показаны на рис.2.3.21.

 

 

Рис.2.3.21. Структурные схемы ОУ