4 Катушки индуктивности
Как уже отмечалось, возможность осуществлять катушки индуктивности методами микроэлектроники является одним из достоинств пленочной технологии. Такие катушки представляют собой плоские спирали, обычно прямоугольной конфигурации. Для уменьшения сопротивления в качестве материала используется золото. Ширина металлической полоски составляет 30-50 мкм, просвет между витками 50-100 мкм. При таких геометрических размерах удельная индуктивность лежит в диапазоне 10-20 нГн/мм2, т. е. на площади 25 мм2 можно получить индуктивность 250-500 нГн.
Добротность катушек индуктивности, например, на частоте 100 МГц может иметь значение Q 50. В отличие от добротности конденсатора добротность катушки возрастает с увеличением частоты. Поэтому пленочные катушки могут успешно работать в диапазоне сверхвысоких частот
(СВЧ), при частотах 3-5 ГГц. При этом число витков составляет 3-5.
Вопрос№44Пленочные проводники и контактные площадки
Для электрического соединения различных элементов микросхем на одной подложке применяют пленочные проводники. Для этой цели требуются материалы с высокой проводимостью. Контактные площадки служат для подсоединения навесных компонентов схемы и внешних выводов с помощью пайки или сварки.
Для напыления проводников в основном применяют золото, медь или алюминий толщиной 0,6-0,8 мкм.
Вопрос№45Навесные компоненты
В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды и транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС, а также резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности номиналы которых невозможно выполнить в пленочном исполнении.
Вопрос №13 Работа БТ в импульсном (ключевом) режиме
Биполярный транзистор широко используется в электронных устройствах в качестве ключа - функцией которого является замыкание и размыкание электрической цепи. Имея малое сопротивление во включенном состоянии и большое - в выключенном, биполярный транзистор достаточно полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ключевым элементам.
С
хема
транзисторного ключа показана на рисунке
3.15. Во входной цепи действуют источник
смещения ЕБЭ,
создающий обратное напряжение на
эмиттерном переходе, источник управляющих
импульсов прямого напряжения UВХ
и ограничительный резистор RБ.
Обычно RБН11Э.
В выходной цепи включены сопротивление
нагрузки RК
и источник питания ЕКЭ.
Когда нет импульса на входе, транзистор находится в режиме отсечки и ток коллектора практически отсутствует IКIКБ0 (точка А на выходных характеристиках (рисунок 3.16,б). Напряжение на выходе транзистора uКЭ= ЕКЭ-IК RК ЕКЭ.
При подаче на вход транзистора импульсов прямого тока
iБ=(UВХ- EБЭ)/RБ=IБ НАС, транзистор открывается, рабочая точка перемещается в точку Б (режим насыщения) и напряжение на коллекторе падает до значения uКЭ= ЕКЭ-IК НАС RК=UКЭ ОСТ. При дальнейшем увеличении тока базы ток коллектора не увеличивается (рисунок 3.16,а).и напряжение на коллекторе не изменяется (рисунок 3.16,б).
а) |
б) |
Рисунок 3.16 Зависимость входных (а) и выходных (б) токов БТ. |
|
Вопрос№23 Переходные процессы при работе ключей на БТ. Временные параметры переключения.
При практическом использовании транзистора большое значение имеет скорость переключения, обуславливающая быстродействие аппаратуры. Скорость переключения определяется процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и коллекторе транзистора, эмиттерном и коллекторном переходах.
В эмиттерном и коллекторном переходах находятся нескомпенсированные заряды неподвижных ионизированных атомов примеси- доноров и акцепторов; неравновесный заряд отсечки в базе можно считать равным нулю.
При переходе к режиму насыщения эмиттерный переход открывается, толщина перехода и его нескомпенсированный заряд уменьшаются, происходит как бы разряд ёмкости эмиттерного перехода. Вследсвии понижения напряжения на коллекторе, уменьшается его толщина и заряд в нем, т.е. происходит разряд ёмкости коллекторного перехода, открывается коллекторный переход и в области базы за счет инжекции электронов из эмиттерного и коллекторного переходах накапливается большой неравновесный заряд насыщения. В транзисторах, имеющих высокоомный коллектор носители заряда инжектируют и в область коллектора, где так же накапливается неравновесный заряд.
Графики напряжений и токов транзистора при переключении даны на рисунке 3.17. На базу транзистора подается прямоугольный импульс напряжения UВХ-EБЭ (рисунок 3.17,а).
График входного тока показан на рисунке 3.17,б. Величина импульса прямого тока базы IБ ПР определяется в основном сопротивлением ограничительного резистора RБ.
После переключения эмиттерного перехода на обратное направление ток перехода, как и в диоде, имеет первоначально большую величину, ограниченную лишь сопротивлением RБ: IБ ОБР= EБ/ RБ, так как сопротивление эмиттерного перехода в первый момент после переключения очень мало вследствие насыщения базы неравновесными носителями заряда (рисунок 3.17,г).
При прямоугольной форме импульса входного тока импульс выходного тока iК (рисунок 3.17,в) появляется с задержкой tЗ, которая определяется главным образом скоростью нарастания напряжения эмиттерного перехода, зависящей от величин ёмкости перехода и прямого тока базы, т.е. скоростью разряда эмиттерного перехода.
После того как транзистор перейдет из режима отсечки в активный режим, коллекторный ток начинает постепенно нарастать, достигая установившегося значения а время tн. Это время определяется скоростью накопления неравновесного заряда в базе и скоростью разряда емкости коллектора. Таким образом, полное время включения транзистора состоит
из
времени задержки и времени нарастания:
.Практически
оно может иметь величину от нескольких
наносекунд до нескольких микросекунд
в зависимости от параметров транзистора.
П
осле
подачи в цепь базы запирающего тока IБ
ОБР=EБЭ/RБ
выходной коллекторный ток прекращается
не сразу. На протяжении некоторого
времени рассасывания tp
он практически
сохраняет свою величину, так как
концентрация носителей заряда в базе
у коллекторного перехода еще остается
выше равновесной и коллекторный переход
благодаря этому оказывается открытым.
Лишь после того как неравновесный заряд у коллекторного перехода рассосется за счет ухода электронов из базы и рекомбинации, ток коллектора начинает постепенно спадать, достигая время спада tС установившегося значения IKЭ0. В течении этого времени продолжается рассасывание неравновесного заряда базы и происходит перезаряд емкости коллекторного перехода. Заметим, что эмиттерный переход при этом может закрыться раньше или позже коллекторного в зависимости от скорости рассасывания неравновесного заряда, сосредоточенного поблизости от него.
Процесс накопления и рассасывания неравновесного заряда qБ при переключении транзистора поясняется на рисунке 3.17,г. Накопление неравновесного заряда в базе начинается спустя время задержки tз, и заряд за время нарастания tн достигает установившегося значения qБ=Qакт. Далее вследствие падения коллекторного напряжения до величины UКЭ ОСТ UБЭ коллекторный переход открывается и начинает инжектировать неравновесные носители заряда в базу. Заряд базы снова возрастает, достигая к концу входного импульса значения qБ=Qнас. После переключения напряжения эмиттерного перехода на обратное происходит рассасывание неравновесного заряда базы, за время tР+tС он достигает нулевого значения. Схема транзисторного ключа:
Вопрос №42 Сумматор и вычитатель на основе ОУ
Сумматор
Принципиальная схема сумматора представлена на рисунке 2.24. Составим уравнения для этой схемы.
UВХ1=R1 I1+U1 ,
UВХ2=R2 I2+U1,
U1=R3I3+UВЫХ ,
I1+I2=I3,
UВЫХ=KU(U2 - U1)
Решая их относительно UВХ1, UВХ2 и UВЫХ получим
UВЫХ (1+(1+ R3 /R12)/KU)=- (R3 /R1) UВХ1- (R3 /R2) UВХ2,
где R12=R1∙R2/( R1+R2)
И окончательно
UВЫХ - ((R3 /R1) UВХ1+ (R3 /R2)) UВХ2.
Вычитатель
Принципиальная схема вычитателя имеет вид в соответствии с
рисунком 2.24.
Составляя уравнения и решая их, получим
UВЫХ (R4/(R2+R4)(R3 /R2+1) UВХ1- (R3 /R1)) UВХ1
Вопрос№43 Интегратор и дифференциатор на основе ОУ Интегратор
Интегратор выполняется в соответствии с рисунком 2.25.
Используя (2.72) запишем в операторной форме
UВЫХ(P)=UВХ(P)∙ Z2(P)/R1= UВХ(P)/(P∙C2∙R1)
Интегратор |
Дифференциатор |
Рисунок 2.25 – Интегратор и дифференциатор
Используя свойство линейного преобразования Лапласа, запишем выражение в виде
Дифференциатор
Дифференциатор выполняется в соответствии с рисунком 2.25.
Используя (2.72) запишем в операторной форме
UВЫХ(P)=UВХ(P)∙ R2/Z1(P)= UВХ(P)∙(P∙C2/R1)
Переходя к оригиналу, получим
Вопрос№44 Простейшие фильтры на ФНЧ и ФВЧ
Перспективными базовыми узлами для построения фильтров являются операционные усилители. Фильтры, сочетающие использование jRC-цепей и усилительных приборов, получили название активных. Вид АЧХ определяет частотно-селективная цепь, масштаб характеристики (коэффициент передачи в заданной полосе частот) обеспечивает усилитель с ООС
Рисунок 2.27- Обобщенная модель активного фильтра
Фильтр нижних частот:
Схема базового узла
АЧХ:
Фильтр верхних частот:
В рассматриваемых фильтрах используются такие достоинства ОУ, как высокое входное и низкое выходное сопротивления. Другими достоинствами ОУ, используемыми в фильтрах, являются два входа и возможность использования ООС . ООС используется во всех базовых функциональных узлах фильтра. Она обеспечивает стабильность режима работы ОУ и очень низкое выходное сопротивление каждого фильтра. Положительная обратная связь используется для повышения добротности фильтра. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Активные фильтры нижних и верхних частот используют по два RС-звена, и поэтому относятся к фильтрам второго порядка. Рабочая полоса ограничивается частотой среза, на которой коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ. Для повышения затухания вне рабочей полосы частот используют последовательное соединение однотипных базовых узлов. Вопрос №57 Диоды ПП ИМС.Отдельно диодные структуры в ППИМС не формируются, а в качестве диода используются любой из двух p-n переходов транзистора: эмиттерный или коллекторный. Можно также использовать их комбинации. Поэтому по существу интегральный диод представляет собой диодное включение интегрального транзистора.
Рисунок 4.13 Пять возможных вариантов диодного включения транзистора показаны на рисунке 4.13. В таблице 4.1 приведены типичные параметры этих вариантов. Для них приняты следующие обозначения: до черточки стоит обозначение анода, после черточки - катода; если два слоя соединены, их обозначения пишутся слитно. Из таблицы видно, что варианты различаются как по статическим, так и по динамическим параметрам. Пробивные напряжения UПР зависят от используемого перехода: они меньше у тех вариантов, в которых используется эмиттерный переход (см. таблицу 4.1). Обратные токи IОБР (без учета токов утечки) - это токи термогенерации в переходах. Они зависят от объема перехода и, следовательно, меньше у тех вариантов, у которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь. Емкость диода Сд (т. е. емкость между анодом и катодом) зависит от площади используемых переходов; поэтому она максимальна при их параллельном соединении (вариант Б- ЭК). Паразитная емкость на подложку СП шунтирует на «землю» анод или катод диода (считается, что подложка заземлена). Емкость СП, как правило, совпадает с емкостью СКП, с которой мы встретились при рассмотрении n-p-n транзистора (рисунок 4.7). Однако у варианта Б - Э емкости СКП и СК оказываются включенными последовательно и результирующая емкость СП минимальна. Таблица 4.1
Время восстановления обратного тока tВ (т. е. время переключения диода из открытого в закрытое состояние) минимально у варианта БК-Э; у этого варианта заряд накапливается только в базовом слое (так как коллекторный переход закорочен). У других вариантов заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе, так что для рассасывания заряда требуется большее время. Сравнивая отдельные варианты, приходим к выводу, что в целом оптимальными вариантами являются БК-Э и Б-Э. Малые пробивные напряжения этих вариантов не играют существенной роли в низковольтных ИМС. Чаще всего используется вариант БК-Э. Вариант№8 ПТ с p-n-переходом в составе ПП ИМС. Полевые
транзисторы (ПТ) с управляющим p-n
переходом, хорошо вписываются
в общую технологию биполярных ИС и
потому часто изготавливаются
совместно с биполярными транзисторами
на одном кристалле.
Типичные структуры ПТ с каналами
различного типа проводимости
показаны на рисунке 4.14.
А) Б) Рисунок 4.14 В структуре n-канального ПТ, показанной на рисунке 4.14а, p-слой затвора образуется на этапе базовой диффузии, а n+-слои, обеспечивающие омический контакт с областями истока и стока, - на этапе эмиттерной диффузии. Заметим, что р-слой затвора окружает сток со всех сторон, так что ток между истоком и стоком может протекать только через управляемый канал под р-слоем. В n-карманах, предназначенных для ПТ, вместо скрытого n+-слоя целесообразно сформировать скрытый p+-слой. Назначение этого слоя - уменьшить начальную толщину канала и тем самым напряжение отсечки. Осуществление скрытого p+-слоя связано с дополнительными технологическими операциями. Для того чтобы скрытый р+-слой проник в эпитаксиальный n-слой достаточно глубоко, в качестве акцепторного диффузанта используют элементы с большим коэффициентом диффузии (бор или галлий). На подложку, а значит, и на p+-слой для изоляции элементов подают постоянный максимально отрицательный потенциал; поэтому они не выполняют управляющих функций. Структура р-канального ПТ, показанная на рисунке 4.14б, совпадает со структурой обычного n-p-n транзистора. Роль канала играет участок базового р-слоя, расположенный между n+- и n-слоями. Если при совместном изготовлении ПТ и биполярного транзистора не использовать дополнительных технологических процессов, то толщина канала будет равна ширине базы n-p-n транзистора (0,5-1 мкм). При такой малой толщине канала получаются большой разброс параметров ПТ и малое напряжение пробоя. Поэтому целесообразно пойти на усложнение технологического цикла, осуществляя p-слой ПТ отдельно от базового р-слоя, с тем чтобы толщина канала была не менее 1-2 мкм. Для этого проводят предварительную диффузию р - слоя ПТ до базовой диффузии. Тогда во время базовой диффузии р-слой ПТ дополнительно расширяется, и его глубина оказывается несколько больше глубины базового слоя. Для того чтобы области истока и стока соединялись только через канал, n+-слой делают более широким (в плане), чем p-слой. В результате n+-слой контактирует с эпитаксиальным n-слоем и вместе они образуют «верхний» и «нижний» затворы. На рисунке 4.14б, контакт между «верхним» и «нижним» затворами условно показан штриховой линией. Вопрос№59 МДП ПТ с индуцированным каналом в составе ПП ИМС Поскольку интегральные МДП-транзисторы не нуждаются в изоляции, их структура внешне не отличается от структуры дискретных вариантов. На рисунке 4.15а воспроизведена структура МОП-транзистора с индуцированным n-каналом. Отметим особенности этого транзистора как элемента ИМС.
Из сравнения с биполярным транзистором очевидна, прежде всего, технологическая простота МОП-транзистора. Необходимы всего лишь один процесс диффузии и четыре процесса фотолитографии (под диффузию, под тонкий подзатворный окисел, под омические контакты и под металлизацию). Технологическая простота обеспечивает меньший брак и меньшую стоимость. Отсутствие изолирующих карманов способствует лучшему использованию площади кристалла, т. е. повышению степени интеграции элементов. Однако, с другой стороны, отсутствие изоляции делает подложку общим электродом для всех транзисторов. Это обстоятельство может привести к различию параметров у внешне идентичных транзисторов. Как известно, главным фактором, лимитирующим быстродействие МДП-транзисторов, обычно являются сопротивление каналов и паразитные емкости. В комплементарных МОП-транзисторных ИМС (КМОП) на одном и том же кристалле необходимо изготовлять транзисторы обоих типов: с n- и с р-каналами. При этом один из типов транзисторов нужно размещать в специальном изолирующем кармане. Например, если в качестве подложки используется р-кремний, то n-канальный транзистор можно осуществить непосредственно в подложке, а для р-канального транзистора потребуется карман с электронной проводимостью, на который подается максимальный положительный потенциал (рисунок 4.15б). Получение такого кармана в принципе несложно, но связано с дополнительными технологическими операциями (фотолитография, диффузия доноров и др.). Кроме того, затрудняется получение низкоомных р+-слоев в верхней (сильно легированной) части n-кармана. Вопрос№31 Аналоговые ИМС. Основные типы. Аналоговые интегральные схемы предназначены для преобразования сигналов, заданных в виде непрерывной функции. Технология аналоговых микросхем как самостоятельное направление микроэлектроники развивалось с определённым отставанием от технологии цифровых ИС. Среди причин такого отставания явился более ограниченный набор элементов полупроводниковых микросхем. В частности в микроэлектронике не используются индуктивные элементы. Однако особенности технологии микроэлектроники, позволяющей получать групповым способом на одной подложке совокупность элементов с взаимосогласованными характеристиками, позволяли создать широкую номенклатуру аналоговых ИС. Были разработаны типовые структуры, подобные интегральным логическим элементам в цифровых ИС, позволяющие унифицировать аналоговую микросхемотехнику. Основные типы: Генератор: микроэлектронное устройство, предназначенное для создания электрических колебаний заданной формы и частоты. Различают гармонические и импульсные колебания. Усилитель: предназначено для усиления сигналов в заданном диапазоне частот. различают усилители постоянного тока, высокочастотные усилители, дифференциальные, операционные, низкочастотные, широкополосные, видеоусилители, и т.д. Детектор: служит для преобразования электрических колебаний, в результате чего из него выделяются нужные составляющие амплитудно-частотных характеристик спектра сигналов. Фильтр: предназначено для разделения электрических колебаний различных частот. Из спектра поданных на вход электрических колебаний фильтр выделяет или пропускает на выход только колебания в заданной области частот, называемой полосой пропускания. Все остальные колебания фильтром подавляются. Модулятор: осуществляет управление заданным параметром колебательного процесса в соответствии с сигналами передаваемого сообщения. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
