8 Дайте определения аналоговой микросхемы.

Аналоговые интегральные микросхемы (АИМС) предназначены для преобразования и обработки сигналов,  непрерывно изменяющихся по уровню и во времени. Они широко применяются  в аппаратуре звуковоспроизведения и звукоусиления, радиоприемниках и телевизорах, видеомагнитофонах, в аналоговых вычислительных машинах, и измерительных приборах, технике связи и т. д. АИМС  позволяет создавать сложный завершенный функциональный узел в совокупности с ограниченным количеством внешних радиоэлементов  (например, УПЧ изображения, видеоусилитель, генератор и т. п.). Функциональный узел - это группа радиоэлементов, объединенных конструктивно и технологически в модуль. Эта группа предназначена для создания какой-либо законченной части радиоэлектронной аппаратуры, например, усилителя, фильтра, источника питания и т. п. (стабилизаторы источников питания, операционные усилители, фильтры, преобразователи сигналов).

9. Какие трудности возникают при разработке аналоговых микросхем?

Работа любого аналогового устройства сопряжена с ошибками, источниками которых может быть технологический разброс параметров элементов, их температурный и временной дрейфы, шумы, наводки. Уменьшение погрешности работы аналоговых устройств – одна из главных задач их разработчиков. Высокая сложность решения этой проблемы вызвала отставание технологии аналоговых микросхем как самостоятельного направления микроэлектроники по сравнению технологиями цифровых микросхем. Серьезным препятствием явился ограниченный набор элементов полупроводниковых микросхем, в частности отсутствие индуктивных элементов и конденсаторов. Трудной оказалась задача разработки небольшого числа типовых структур, которые подобно ЛЭ в цифровых микросхемах могли бы стать основной для аналоговой микросхемотехники.

10,11 Назовите основные аналоговые функции. Какие микросхемы применяются для реализации основных аналоговых функций?

Основными аналоговыми функциями являются:

усиление,

ограничение,

сравнение,

перемножение,

частотная фильтрация.

Эти пять функций образуют полный набор аналоговых функций, с помощью которых возможно реализовать любую аналоговую операцию или устройство.

Усиление выполняется с помощью микросхем универсальных усилителей – операционных усилителей (ОУ) или специализированных усилителей (усилителей нижних частот, высоких частот и др.)

Рисунок 2.1 Условные обозначения устройств, выполняющих функцию усиления; а, б –.операционного усилителя; в – усилителя с одним входом

Для сравнения уровней напряжения используют ОУ или специализированные ИМС - компараторы; существуют ИМС для сравнения частоты, фазы, времени.

Рисунок 2.2 Условные обозначения устройств, выполняющих функцию сравнения напряжений

Перемножение аналоговых сигналов осуществляют, применяя ОУ с нелинейными элементами в цепях обратной связи или специализированные микросхемы перемножителей; перемножители входят в состав многих аналоговых микросхем.

Условное обозначение микросхем перемножения – ПС

Рисунок 2.3 Условное обозначение устройства, выполняющего функцию перемножения

Ограничение аналоговых сигналов реализуют на ИМС усилителей с применением внешних нелинейных элементов (диодов, транзисторов); схемы ограничения входят в состав некоторых аналоговых ИМС.

Рисунок 2.4 Условное обозначение устройства, выполняющего функцию ограничения

Для частотной фильтрации используют активные RC - фильтры на ОУ, специализированные микросхемы активных фильтров, фильтры на коммутируемых конденсаторах, приборах с зарядовой связью, поверхностных акустических волнах и прочее.

Рисунок 2.5 Условное обозначение устройств, выполняющих функцию частотной фильтрации: а – полосовой фильтр; б – фильтр верхних частот; в – фильтр нижних частот; г – режекторный фильтр

12. Какие преимущества дает применение аналоговых микросхем в радиоэлектронной радиоаппаратуре?

Применение аналоговых микросхем в радиоэлектронной аппаратуре позволяет

уменьшить ее габариты, массу, потребляемую мощность,

повысить надежность,

и более чем в 10 раз повысить точность обработки аналоговых сигналов.

Например, применение микросхем для построения сложных фазированных антенных решеток (ФАР) уменьшает их габариты, стоимость и улучшает характеристики направленности

12. Охарактеризуйте принципы, положенные в основу схемотехники аналоговых микросхем.

Схемотехника аналоговых микросхем использует особенности интегральной групповой технологии, применяя принципы взаимосогласованности электрических цепей и схемотехнической избыточности.

Элементы, размещенные на одном кристалле, имеют взаимосогласованные характеристики. Если однотипные элементы, например, транзисторы и резисторы идеально согласованы, то они имеют одинаковые (или пропорциональные) параметры во всем диапазоне изменений напряжения питания, рабочих температур, механических воздействий и прочее. В электрических схемах применяются схемотехнические решения, которые используют взаимосогласованность элементов для компенсации нестабильности параметров электрических цепей. Точность работы аналоговой микросхемы определяется идентичностью характеристик элементов.

Для электрических схем аналоговых микросхем характерен принцип схемотехнической избыточности. С точки зрения дискретной схемотехники в аналоговых ИМС используются более сложные схемотехнические решения. Например, вместо одного разделительного конденсатора между каскадами применяют схему сдвига уровня напряжения, которая состоит из нескольких транзисторов. Тем не менее, их применение улучшает параметры и характеристики (качество) микросхемы, уменьшает площадь кристалла, повышает технологичность.

По мере совершенствования технологии и методов проектирования микросхем увеличивается их номенклатура, резко возрастает сложность функций, реализуемых в одной аналоговой микросхеме. Разработаны микросхемы высокой степени интеграции, которые выполняют функцию целого аналогового узла радиоэлектронной аппаратуры - многофункциональные микросхемы. Так, например, усилители высокой и промежуточной частоты объединяются со смесителем, гетеродином, детектором и усилителем автоматической регулировки усилением (АРУ) и на основе одной многофункциональной микросхемы строится весь тракт супергетеродинного радиоприемника.

Несмотря на большое разнообразие аналоговых ИМС, есть схемотехнические решения, которые составляют основу аналоговой схемотехники. Это схемы генераторов стабильного тока, дифференциальные каскады усиления, схемы сдвига уровня напряжения, в которых широко используются особенности интегральной технологии.

12. Дифференциальный усилительный каскад

ООО

1. Дифференциальный усилительный каскад

Дифференциальный усилительный каскад (ДК), изображенный на рис. 3.1а, является симметричным усилителем с двумя входами. Выходным сигналом ДК служит разность напряжений на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Генератор стабильного тока формирует ток I₀, которые распределяется между двумя транзисторами.

При входном напряжении U_вх1=U_вх2=0 токи коллекторов равняются I_к1=I_к/2 =I₀/2. При этом условии, а также при условии абсолютной идентичности ветвей схемы (R_к1=R_к2, U_бэ1=U_бэ2, ₁==₂) выходное напряжение

U_вых=U_к1-U_к2=I_к1R_к1-I_к2R_к2=0.

Рисунок 15.2 – Дифференциальный усилительный каскад: а – схема; б – передаточные характеристики

В дифференциальном каскаде, выполненном на кристалле микросхемы, формируются элементы схемы (транзисторы, резисторы), которые очень близки по своим параметрам, температурным и частотным свойствам, поскольку эти элементы, выполнены в едином технологическом процессе. В этом состоит важнейшее преимущество интегрального ДК перед аналогичной схемой на дискретных компонентах.

Подадим на входы ДК разные напряжения U_вх1=+∆U_вх, U_вх2=0.

Разность напряжений U_вх1-U_вх2 =∆U_вх, которая формируется на базах транзисторов, называют дифференциальным входным напряжением.

Появление на базе транзистора VT1 приращение входного напряжения, например, +U_вх1 вызовет возрастание тока коллектора транзистора VT1 на величину +I_к1=₁I_вх1. Потенциал в точке соединения эмиттеров повышается на U_вх1 (вследствие бесконечно большого внутреннего сопротивления ГСТ). Потенциал базы транзистора VT2 уменьшается на U_вх1 и соответственно уменьшается его ток коллектора на величину I_к2 = -I_к1.

Величина тока коллекторов определяется из соотношений:

Откуда

Из выше приведенного выражения следует

Учитывая условие

I_к1 + I_к2 = α I₀.

После соответствующих подстановок получим

Напряжение на выходе каскада:

.

Разность входных токов

Рисунок 3. Передаточная характеристика идеализированного дифференциального каскада

Предельное значение выходного напряжения U_{вых макс}=I₀R_к наступает при запирании одного из транзисторов, однако оно не может превышать по абсолютной величине двухполярное напряжение питания  U_и.п.

Подадим на входы дифференциального каскада одинаковые напряжения U_вх1=U_вх2 =∆U_вх. Сигналы, которые совпадают по амплитуде и фазе, называют синфазными. Потенциалы эмиттеров изменятся на ту же самую величину что и потенциалы баз (∆U_э =∆U_вх). Если генератор тока I₀ идеальный, то прирост потенциала ∆U_э не вызовет изменения токов в ветвях ДК, то есть . Потенциалы коллекторов не изменятся и выходное напряжение останется равным нулю.

Основное назначение дифференциального каскада – это усиление дифференциального сигнала и ослабления синфазного.

Из-за неидеальной идентичности элементов ДК при подаче на входы синфазного сигнала (т. е. при подаче напряжения U_вх одновременно на параллельно включенные входы) на выходе появляется отличное от нуля напряжения U_вых. Это оценивается коэффициентом передачи синфазного сигнала k_с = U_вых/U_вх.с. Для характеристики ДК используют коэффициент ослабления синфазного сигнала k_о.с.с, который выражается в децибелах

.

Из-за неидентичности плеч ДК, в основном из-за неравенства напряжений база-эмиттер транзисторов, в отсутствии сигнала на входе, на выходе ДК существует некоторое напряжение. Напряжение, которое нужно подать на вход ДК для установки U_вых=0 в отсутствия сигнала на входе, носит название напряжение смещения нуля U_см. Кривая передаточной характеристики проходит не через начало координат, а смещена на некоторую величину U_см. Напряжение смещения нуля U_см является одним из параметров ДК.

Рисунок 3. Реальная передаточная характеристика дифференциального каскада

Наиболее важными дифференциальными параметрами являются коэффициент усиления и входное сопротивление.

Коэффициент усиления ДК

Входное сопротивление ДК определяется током I₀ ГСТ и коэффициентом усиления β транзисторов

Оно в два раза превосходит входное сопротивление резисторного каскада, у которого ток эмиттера составляет I₀ и коэффициент усиления . Увеличение R_вх достигают, используя составные транзисторы, или ДК на МДП-транзисторах. Выходное сопротивление ДК по аналогии с резисторным усилителем равняется R_вых = 2R_к.

Частотные характеристики ДК имеют такой же вид, определяются теми же паразитными параметрами, что и в схеме резисторного усилителя, однако величины этих параметров обычно такие, что быстродействие ДК оказывается в несколько раз ниже.

Коэффициент усиления ДК увеличивается при возрастании тока I₀ и сопротивления R_K. Однако при увеличении тока I₀ уменьшается входное сопротивление ДК, что нежелательно. С другой стороны при увеличения сопротивления R_K, возрастает площадь занимаемая резисторами на кристалле и возрастает требуемое напряжения питания U_и.п для сохранения активного режима работы транзисторов, увеличивается потребляемая мощность, что также недопустимо. Решением проблемы является замена резисторной нагрузки транзисторной.

12. Дифференциальный усилительный каскад с однофазным выходом

2.Дифференциальные каскады с однофазным выходом.

Во многих аналоговых микросхемах, в том числе операционных усилителях, дифференциальный каскад используется только на входе схемы, а следующие каскады выполняются по однофазной схеме. Для такого перехода может быть использована схема (рис. 15.3).

Рисунок 15.3 – Дифференциальный каскад с однофазным выходом

Транзисторы VT1 и VT2, а также VT3 и VT4 является взаимно согласованными.

Транзисторы VT1 и VT2 составляют дифференциальную пару с источником тока в эмиттерной цепи.

Транзисторы VT3 и VT4 p-n-p типа образуют ГСТ „токовое зеркало” и служат коллекторными нагрузками транзисторов VT1 и VT2.

Ввиду малой величины токов баз транзисторов VT3 и VT4 можно записать

I_к3 =I_к4, но I_к1 = I_к3

из этого следует, что I_к1 =I_к4.

При изменении тока I_к1 на величину произойдет изменение тока на величину ∆I_к4 = ∆I_к1. Для дифференциального каскада:

∆I_к1 = -∆I_к2 .

Приращение выходного тока, который течет в нагрузку, равняется:

∆I_вых = ∆I_к4 - ∆I_к2 =2∆I_к1.

В результате получаем напряжение на выходе

∆U _вых=∆U_к2=∆I_вых R_вх=2∆I _к1R_вх=2∆U_вх R_вх/r_э ,

где R_вх – входное сопротивление следующего каскада;

∆I _к1=∆U_вх /r_э ;

r_э =φ_T/I₀.

Откуда получим коэффициент усиления

Использование ГСТ в качестве нагрузки в цепи коллектора обеспечивает высокое значение сопротивления коллекторной нагрузки и большой коэффициент усиления по напряжению, который может достигать 5000 (при условии большого входного сопротивления последующего каскада).

Эта схема имеет широкое распространение в ИМС, в частности, в ИМС операционных усилителей.