Параметры и характеристики оу

Параметр	Идеальный ОУ	Реальный ОУ
КU 103		10 1000
RВХ, кОм		10 102 (БТ) 103 1012 (ПТ)
RВЫХ, Ом	0	1 1000
f1, МГц		0,1100
KОС СФ, дБ		40110

К_U- коэффициент усиления ОУ К_U=U_ВЫХ  (U_ВХ2- U_ВХ1), R_ВХ- входное сопротивление (БТ- входной каскад выполнен на биполярных транзисторах, ПТ- на полевых транзисторах), R_ВЫХ- выходное сопротивление, f₁- частота единичного усиления, т. е. частота, на которой коэффициент усиления снижается до единицы, K_{ОС СФ}- коэффициент ослабления синфазного сигнала

K_{ОС СФ}= К_U К_{U СФ}. К_{U СФ}= U_ВЫХ U_ВХ. U_ВХ= U_ВХ1= U_ВХ2.

Характеристика прямой передачи приведена на рисунке 2.2а. Пунктиром показаны идеализированные характеристики. Цифрой 1 обозначена характеристика по инвертирующиму входу, цифрой 2 – по неинвертирующему. Однако реальные характеристики отличаются тем, что на выходе при отсутствии входного сигнала имеется некоторое напряжение (положительное или отрицательное, как показано на рисунке 2.2а) из-за не идеальности элементов схемы.

Напряжение смещения U_СМ – напряжение, которое необходимо приложить на входе, чтобы на выходе получить нулевое напряжение. В современных усилителях предусмотрены специальные выводы (NC) для балансировки (получения нуля на выходе).

Пример АЧХ приведен на рисунке 2.2б. Частота, на которой коэффициент усиления снижается до единицы и есть частота единичного усиления f₁. Частота, при которой К_U снижается в , называется предельной f_ПР. В области от 3 f_ПР до f₁ действует соотношение К_U(f)ff₁.

Вопрос 33 Структура оу

Современные ОУ имеют, как правило, четыре структурных элемента. Входной дифференциальный усилитель (ДУ), который усиливает разностный сигнал. Промежуточный усилитель (ПУ). В случае ОУ с низким коэффициентом усиления ПУ может отсутствовать. В ОУ с большим коэффициентом усиления в качестве ПУ могут использоваться так же диф- ференциальные каскады, но с однотактным выходом.

Схема сдвига уровня (ССУ) осуществляет установку на выходе нулевого потенциала, так как на выходе ПУ как правило, напряжение отличается от нуля. Эмиттерный повто- ритель (ЭП) обеспечивает малое выходное сопротивление. Между каскадами существует непосредственная связь (без разделительных конденсаторов).

№34Дифференциальный усилитель

Д ифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности двух напряжений U_{ВЫХ ДУ}=К_{U ДУ}(U_ВХ2-U_ВХ1). В идеальных ДУ выходное напряжение пропорционально только разности входных напряжений и не зависит от их абсолютной величины.

П ринципиальная схема ДУ на биполярных транзисторах приведена на рисунке 2.4а. А принцип работы поясняется с помощью рисунков 2.4б и 2.4в.

Е сли на вход 1 подать гармонический сигнал (рисунок 2.4б), а вход 2 соединить с общим проводом, то ток коллектора первого транзистора I_К1 будет изменяться в соответствии с сигналом. При положительном полупериоде сигнала на входе ток коллектора VT1 увеличивается, падение напряжения на резисторе R1 также увеличивается и напряжение на коллекторе транзистора VT1, (на выходе 1) уменьшится. Таким образом, выход 1 по отношению ко входу 1 является инвертирующим. Если теперь напряжение подавать на вход 2, то при положительном полупериоде сигнала на входе ток коллектора I_К2 также будет расти, но на эту же величину снизиться ток I_К1 (в цепи эмиттеров стоит источник тока I_К1+ I_К2= I₀) и напряжение на выходе 1 будет увеличиваться. Т. е. вход 2 по отношению выхода 1 является неинвертирующим.

Коэффициент усиления дифференциального усилителя в первом случае равен

K_{U ДУ}=U_{ВЫХ 1} / U_{ВХ 1} (1),

U_{ВЫХ 1}= I_К1R1 (2). I_К1= h_21Э I_Б1 (3)

Входное напряжение распределяется на двух эмиттерных pn-переходах

U_{ВХ 1} =(I_Б1h_11Э+ I_Э2 h_11Б). (4)

I_Э2= (h_21Э+1) I_Б1 (5) и h_11Б= h_11Э / (h_21Э+1) (6)

Подставляя (2, 3, 4, 5 и 6) в (1) получим K_{U ДУ}= h_21ЭR1 / 2h_11Э. Входное сопротивление R_ВХ= U_{ВХ 1}/ I_Б1= 2h_11Э.

Таким образом, для получения большого входного сопротивления необходимо работать при малых токах базы, но при этом значительно снижается коэффициент передачи по току h_21Э, а, следовательно, и К_{U ДУ}.

В ДУ, выполненных таким образом, коэффициент усиления составляет

K_{U ДУ}=10-20, а входное сопротивление десятки кОм, что далеко от идеала.

Вопрос №37 Эмиттерный повторитель

Принципиальная схема эмиттерного повторителя (ЭП).

Коэффициент передачи ЭП равен К_{U ЭП}=U_ВЫХ/U_ВХ. Выходное напряжение U_ВЫХ=I_Э R1= I_Б(h_21Э+1) R1. А входное напряжение равно

U_ВХ= U_БЭ+ U_ВЫХ= I_Бh_11Э+ I_Б(h_21Э+1) R1. Получаем

.

В ходное сопротивление получим, если U_ВХ поделим на I_ВХ = I_Б. Тогда получим R_ВХ= h_11Э+ (h_21Э+1) R1(h_21Э+1) R1. Выходное сопротивление ЭП равно , где R_ИСТ – сопротивление источника сигнала, стоящего перед ЭП. Если перед ЭП стоит ССУ, то R_ИСТ=R1.

Таким образом, коэффициент передачи ЭП немного меньше единицы, но он обладает высоким входным и малым выходным сопротивлениями.

Вопрос №38. Инвертирующий усилитель на ОУ.

Схема инвертирующего усилителя показана на рисунке 2.8а. В данной схеме используется отрицательная обратная связь, т.е. сигнал с выхода через R2 подается на инвертирующий вход. Используя законы Кирхгофа, запишем.

U_ВХ=R1 I₁+U₁ (1), U₁=R2I₂+U_ВЫХ (2) U_ВЫХ=K_UU₁ (3).

Выражая U₁ из (3), подставляем в (1) и (2) и, учитывая, что входное сопротивление ОУ много больше, чем R1 и R2, а отсюда также I₁= I₂, получим U_ВЫХ (1+(1+ R2 /R1)/K_U)=- (R2 /R1) U_ВХ.

П оскольку (1+ R2 /R1)/K_U1, получим K_{U ОС} - R2 /R1.

Аналогично получим R_ВХ=U_ВХ/I_ВХ=R1+R2/(K_U+1). Пренебрегая вторым слагаемым, получим R_{ВХ ОС} R1. А R_{ВЫХ ОС} = R_ВЫХ/(1+ K_U/ K_{U ОС}).

АЧХ инвертирующего усилителя приведена на рисунке 2.9. Если выполняется условие K_U K_{U ОС}, получаем f₁f_В K_{U ОС}.

Вопрос №39 Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рисунке 2.8б.

В этом случае составим следующие уравнения, учитывая, что I₁=I₂,

U₁= U_ВЫХ R1/(R2+R1) (1), U_ВЫХ =К_U (U_ВХ -U₁) (2). Из (2) выразив U₁ и подставив в (1) получим U_ВЫХ (1+(1+ R2 /R1)/K_U)=(1+R2 /R1)U_ВХ.

И окончательно U_ВЫХ (1+R2 /R1)U_ВХ,

K_{U ОС} 1+R2 /R1. R_{ВХ ОС} R_ВХ(1+ K_U/ K_{U ОС}). R_{ВЫХ ОС} и АЧХ такие же, как у инвертирующего усилителя. VT5 закрыт. В точке А напряжение будет составлять 0,8 В.

Вопрос №48методы получения пленочных элементов нужной формы.

В технологии полупроводниковых приборов важное место за­нимают маски: они обеспечивают локальный характер напыления, легирования, травления, а в некоторых случаях и эпитаксии. Всякая маска содержит совокупность заранее спроектированных от­верстий – окон. Изготовление таких окон есть задача литографии (гравировки).

Фотолитография. В основе фотолитографии лежит ис­пользование материалов, которые называют фоторезистами. Это разновидность фотоэмульсий, известных в обычной фотографии. Фоторезисты чувствительны к ультрафиолетовому свету, поэтому их можно обрабатывать в не очень затемненном помещении.

Фоторезисты бывают негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям (кислотным или щелочным). Значит, после локальной засветки будут вытравливаться не засвеченные участки (как в обычном фото- негативе). В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки и, значит, будут вытравливаться засве­ченные участки.

Рисунок будущей маски изготав­ливается в виде так называемого фотошаблона. Фотошаблон представляет собой толстую стеклян­ную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрач­ная пленка с необходимым рисунком в виде прозрачных отверстий. Разме­ры этих отверстий (элементов рисунка) в масштабе 1:1 соответствуют раз­мерам будущих элементов ИС, т. е. могут составлять 20—50 мкм и менее (до 2—3 мкм). Поскольку ИС изготавливаются групповым мето­дом, на фотошаблоне по «строкам» и «столбцам» размещается множество однотипных рисунков. Размер каждого рисунка соответствует размеру будуще­го кристалла ИС.

Процесс фотолитографии для получения окон в окисной маске SiO₂, покрывающей поверхность кремниевой пластины, состоит в следующем (рисунок 3.3). На окисленную поверхность пластины наносится, например, негативный фото­резист (ФР). На пластину, покрытую фоторезистом, накладывают фотошаблон ФШ (рисунком к фоторезисту) и экспонируют его в ультрафиолетовых (УФ) лучах кварцевой лампы (рисунок 3.3а). После этого фотошаблон снимают, а фоторезист проявляют и закрепляют.

Если используется позитивный фоторезист, то после проявления и закрепления (которое состоит в задубливании и термо­обработке фоторезиста) в нем получаются окна на тех местах, ко­торые соответствуют прозрачным участкам на фотошаблоне.

Как говорят, рисунок перенесли с фотошаблона на фоторезист. Те­перь слой фоторезиста представляет собой маску, плотно при­легающую к окисному слою (рисунок 3.3б).

Через фоторезистивную мас­ку производится травление окисного слоя вплоть до крем­ния (на кремний данный травитель не действует). В качестве травителя используется плавиковая кислота и её соли. В результате рисунок с фоторе­зиста переносится на окисел. После удаления (стравлива­ния) фоторе -зистивной маски ко­нечным итогом фотолитогра­фии оказывается кремниевая пластина покрытая окисной маской с окнами (рисунок 3.3в). Через окна можно осуществлять диффузию, ионную имплантацию, травление и т. п.

Метод свободной маски.

Он основан на экранировании части подложки от потока частиц напыляемого вещества с помощью специально изготовленной свободной маски (рисунок 5.5а и б). Свободная маска представляет собой

Рисунок 5.5

тонкий экран (0,1мм), выполненный из стали, бериллиевой бронзы или других материалов, с отверстиями, очертание и расположение которых соответствует желаемой конфигурации пленочных элементов. Достоинством этого метода является то, что маска может использоваться многократно (до 20 раз). К недостаткам следует отнести: во-первых, в процессе напыления происходит напыление на маску, что меняет её толщину и ширину отверстий, а также подпыление (проникновение материала пленки под маску). Это снижает точность размеров элементов и их номиналов. Поэтому периодически требуется очистка масок. Во-вторых, металлические маски мало пригодны при катодном и ионо-плазменном напылении, так как металл искажает электрическое поле, а это тоже приводит к снижению точности элементов.

Вопрос №47Метод контактной маски.

Контактная маска изготовляется непосредственно на подложке и держится на ней благодаря адгезии. Материал маски (медь, алюминий, никель, фоторезист) должен выдерживать условия нанесения материала тонкой пленки, не испаряясь и не взаимодействуя химически с этим материалом и легко удаляться с подложки способами, не влияющими на свойства материала тонкой пленки. На подложку с контактной маской (рисуноу 5.5в) наносят слой материала, из которого будут формироваться тонкопленочные элементы. Если теперь на полученную заготовку воздействовать травителем или растворителем для материала маски, то маска, удаляясь с подложки, увлекает с собою и лежащие на ней участки слоя напыленного материала. И он остается только на тех местах, где был нанесен непосредственно на поверхность подложки (рисунок 5.5г).

Метод контактной маски обеспечивает большую точность и четкость края, и применим как для вакуумного, так и для катодного распыления.

Вопрос №54Основные технологические процессы при изотовлении ПП ИМС

1 Способы диффузии. Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рисунок 3.4а), а во втором - на определенных участках пла­стины через окна в маске, например, в толстом слое SiO₂ (рисунок 3.4б).

Общая диффузия приводит к образованию в пластине тон­кого диффузионного слоя, который отличается от эпитаксиального неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривые N(x) на рисунках 3.6а и б).

В случае локальной диффузии (рисунок 3.4б) примесь распространяется не только в глубь пластины, но и во всех перпендикулярных на­правлениях, т. е. под маску. В результате этой так называемой боковой диффузии участок р-n перехода, выходящий на по­верхность, оказывается «автоматически» защищенным окислом.

Примеси, вводимые путем диффузии, называют диффузантами (бор, фосфор и др.). Источниками диффузантов являются их химические соединения. Это могут быть жидкости (ВВr₃, РОСl), твердые тела (В₂О₃, P₂O₅) или газы (В₂Н₆, РН₃).

В недрение примесей обычно осуществляется с помощью газотранспортных реакций - так же, как при эпитаксии и окислении. Для этого используются либо однозонные, либо двухзонные диф­фузионные печи.

Пары источника диффузанта, полученные в 1-й зоне, примешиваются к по- току нейтрального газа-носителя (напри­мер, аргона) и вместе с ним доходят до 2-й зоны, где расположены пластины кремния. Температура во 2-й зоне выше, чем в 1-й. Здесь атомы диффузанта внедряются в пластины, а другие составляющие химического соединения уносятся газом-носителем из зоны.