§ 6.7 Аналогты (сызықты) имс негізгі типтeрі

Сигналды өңдеуге және түрлендіруге арналған, үздіксіз функцияның заңы бойыша өзгеретін ИМС аналогты деп аталады. Сызықты ИМС- сызықты сипаттамалы аналогты ИМС микросхемасы. «Аналогты ИМС» ортақ термин болса, ал «сызықты микросхема» әдебиетте көп таралған. Сондықтан екі терминдіде қолдануға болады.

Біраз уақыт бұрын сызықты ИМС өндіру активті және пассивті элементтерді дайындауда технкалық мүмкіндіктеге байланысты шектеулі болды. Техникалық және проектілеу әдестерін жаңартылғаннан кейін сызықты ИМС-нің шығуы көбейді. Оған келесі факторлар әсер етеді:

а) Тесіктің жоғары кернеуімен транзисторлық структураны жасау;

б) Интегралдауда жоғары жиілікті транзисторларды жасау;

в) Бір подложка істелінетін әр түрлі элементтердің бір параметрде үйлесуінің жоғары деңгейі.

г) Біріккен технологиялық процессте бір подложкада n-p-n және p-n-p-типті транзисторлар жасау;

д) Микроэлектроникалық орындаудағы таралған параметрлері бар RLC-структураны жүзеге асыру;

е) Микроэлектроникада технологиялық процесстердің толығымен орындалуы;

ж) Проектілеу әдісінің жүзеге асыруы;

Айтылған факторлар аналогты аппараттар үшін жаңа мүмкіндіктер ашатын сызықты техника құрылғыларымы мен әртүрлі функционалды элементтерді интегралдап жүзеге асуруға мүмкіндік береді.

Сызықты ИМС функцияны орындауына байланысты қолдануда мынадай топтарға бөлінеді:

1) Дифференциалды кірісі жоқ көп мақсатты (многоцелевые) күшейткіш;

2) Көп мақсатты дифференциалды күшейткіш, операциялық күшейткіш;

3) Активті және пассивті фильтр;

4) Кернеу тұрақтандырғыш (стабилизатор);

5) Жиіліктің фазалық автоқұрастырылу (автопдстройка) схемалары;

6) Сызықты күшейткіші бар беттесу схемалары

7) т.б.

Көп мақсатты күшейткіш кең жиілікті диапазонында сигналдарды күшейту үшін қажет. Оған төменгі және жоғарғы жиілікті күшейткіштер, видео-күшейткіш және кең жолақты күшейткіш жатады.

Дифферциалды күшейткіш дифференциалды кірісі мен шығысы бар симметрия тізбекті көрсетеді. Ең көп таралған дифференциалды кірісі бар көпкаскадты күшейткіш- операциялық күшейткіш (ОК).

Фильтрлер жиілікті селекция функциясын орындайтын құрылғыларғы қатысты. Жиілікті селекция микроэлекторникалық элементтерді жасау принциптік және технологиялық қиындықтарға байланысты. Осыған орай заманауи микроэлектрноникалық аппаратураларды көбінесе дискретті микроминиатюрлы фильтрлар қолданады, ал микроэлектрноиканың технологиялық процесстер негізінде жиіліктер селекциясын спецификалық жасау әдісі әлі күнге дейін лабораториялық зерттеулерде.

Кернеу стабилизаторы сызықты және сандық ИМС қорек кернеуін тұрақтандыруға арналған.

Жиіліктің фазалық автоқұрастырылуы схемасын синхронизация схемаларының, демодуляторладың, жиіліктің промежутечный күшейткішінің фильтрі ретінде қолданылады.

Сопряжение схемаларын мәлеметтерді бір құрылығыдан екінші құрылғыға жеткізу үшін барлық жерлерде қолданады: ЭВМ-нан соңғы құрылығы, датчиктен тіркелген приборға жеткізеді. Бұл схемалар аналогты және сандық ақпаратты жіберуге қызмет етеді, сондықтан олар толықтай сандық, толықтай аналогты немесе ең танымалы аналогты және сандық элементін өзінде ұстайтын элементтер болуы мүмкін. Сопряжение схемаларының негізгі төрт түрі бар- сызықты жібергіш, сақтау құрылғысының формалау күшейткіші (усилители-формирователи запоминающих устройств), санау күшейткіші және ішкі құрылғы үшін түрлендіргіш.

Сызықты ИМС-ға формалау схемалардың және сигнал түрлендіргіштердің кейбір схемаларына генераторлар, детекторлар, дискриминаторлаар, инверторлар, мультивибраторлар және т.б қатысты. Схемаларың саны үлкен, стандартизациясы қиын болғандықтан, оларды сақтау үшін видеокүшейткіш және дифференциалды күшейткіш қолданылады.

Дифференциалды және оның негізінде жасалынған операциялық күшейткіш ИМС сызықтық техникасында бастапқы орын алады. Дифференциалды күшейткіш функциясын орындайтын негізгі интегралды микросхема негізі келісімді сипаттамалы транзисторлар жұбы болып табылады (6.15а-сурет). Дифференциалды күшейткіштің қарапайым схемасы (6.15б-сурет) екі транзистордан және үш резистордан тұрады. Коллектор резисторларының кедергісі қатынастары температура мен эксплатациялық қозғалыс кезінде тұраөты болу керек болғандықтан, дифференциалды кірісі бар күшейткіш түріндегі көптеген ИМС жұмыстары үшін бұл схеманың монолитті варианты болып келеді.

Дифференциалды күшейткіштің маңызты қасиеті синфазды сигналды басу (подавлять) болып табылады. Бұл мүмкіншілікте, дифференциалды күшейткіштің кірісіне бірдей (синфазды) сигнал бергенде оның шығысындағы кернеу өзгерісі аз болады. Тәжірибиеде кірістерінің бірі жерге жалғанған, ал басқасына сигнал келетін дифференциалды күшейткіш жиі кездеседі.

6.15-сурет. Дифференцмалды күшейткіш: а- транзисторлар жұбы; б- қарапайым схема; в- Ток көзінің транзистор схемасы арқылы қорек схемасы; г- шалаөткізгіш ИМС

Мұндай жағдайда R1 резистор және Е1 кернеу көзі ток көзін көрсетеді (6.15б-сурет). Егер екі транзистор шынымен бір бірімен келісімді (согласованы) және олардың базасы жерге жалғанған болса, онда осы көздің (источник) тогы әрқайсысына транзисторға бірдей тарайтын болады. Кіріс сигналды бергенде транзисторлардың біреуінің жұмыс нүктесі қанығу облысына араласады, ал басқасы отсечка облысына араласады. Олай болса, жұмыс нүктесіндегі сызықты өтпел облысы орналады.

Синфазды синалды басу (подавление) күшті болған сайын схмадағы (6.15б-сурет) R1 резисторының кедергісі үлкен болатыны айқын. Бірақ, үлкен кедергімен орындалатын резистор шалаөткізгіштік технологияның әдісінде ИМС подложкасы ауданын және резистордың шағлу қуатын үлкейтеді.

Сондықтан, Т1 және Т2 транзисторлары эмиттерлері үшін өзгермейтін ток көзі бар транзисторлар схемасын ыңғайлы болып келеді (6.15в-сурет). Сигналдардың шектелген амплитудалары үшін бұл схемада транзистор жоғары кедергілі резисторға эквивалентті. Қорек көзінің қуат шығыны активті режимдегі транзистордың орташа кедергісіне сәйкес келеді. Т3 транзисторы режимі R1,R2,R3 резисторлары арқылы қойылады. Д диоды Т3 транзисторы база-эмиттерінің кернеу өткелінің температуралы өзгерісін компенсирует. 6.15,в-суретте көрсетілгендей структурасы бар дифференциалды күшейткіш инегралды микросхема түрінде шығарады. 6.15г-суретте К1УТ221 және К1УТ181 типтегі шалаөткізгіш ИМС түрінде жасалған бір каскадты дифференциалды күшейткіш схемаға мысал келтірілген. Ол планарлы-эпитаксиалды технология арқылы жасалынады және оның күшейту коэффициенті 12 кГц-те 22-ден кем болмайды.

Операциялық күшейткіш арқылы терең теріс кері байланыс кезінде аналогты шамамен әртүрлі операция жасауға арналған электрлік сигналдарын күшейткіш түсіндіріледі.

Әдетте операциялы күшейткіште толықтай түрақты күшейткішпен және ішкі кері байланысты қолдану мүмкіндігін қамтамасыз ету үшін дифференциалды күшейткіш схемалары қолданады. Операциялық күшейткішті дайындау кезінде интегралдауды орындауда сонымен қатар әртүрлі құрылғыларда күшейткіштен талап етілетін қажеттіліктерін орындайтын сипаттамасын қамтамасыз етуге тырысуда.

Ереже бойынша операциялық күшейткіш кіріс дифференциялды каскадынан, шығыс кедергісін және динамикалық диапазонын алуға мүмкіндік беретін ығысу деңгейі және шығыс тізбек схемасынан тұрады. Ең көп таралған операциялық күшейткіш интегралды микросхема сериялары К132, К140 болып табылады.

6.16-суретте аналогты есептегіш және аналогты-сандық түрлендіргіш нолдік-органы ретінде қолдануға арналған операциялық күшейткіш схемасы келтірілген. Микросхема р-типті кремнилі подложкада планарлы-эпитаксиалды технология бойынша дайындалған. Ол 20 МГц жиілікпен және 400 ден 12000-ға дейінгі күшейту коффициентімен сипатталады.

6.16-сурет. Операциялық күшейткіш схемасы

Сызықты ИМС-нің үлкен тобын импульсты күшейткіш көрсетеді. Оларға бір және биполярлы сигналды қарапайым күшейткіштер, сонымен қатар эмиттерлі қайталағыш, анық формалы сигналдарды формалайтын күшейткіш қатысты. Бұндай схемалар көбінесе гибридті орындауда іске асады.

6.17 суретте әртүрлі радиоэлектроникалық аппаратурада қолдануға арналған К218 сериялы импульсты күшейткіш схемасы келтірілген. Олар келесі параметрге ие: күшейту коэффициенті 3-тен кем емес, жүктеме кедергісі 400 Ом, кіріс импульснің амплитудасы 1В-тан жоғары емес, амплитудалық сипаттаманың сызықсыздығы 10%-тен үлкен емес. Бұл серияның микросхемасы гибридті жұқа пленкалы технологиямен жасалынған.

Активті RC-фильтрлерлер операциялық күшейткіш негізінде жасалынған және аппараттық байланыста қолданылады. Шалаөткізгішті интегралды технологияны қолдану осы құрылғылардың спасын арттыру және дискритті элементтегі аналогты құрылғылармен салыстырғанда габаритті төмендету схемотехникалық жол табуға мүмкіндік береді.

Шалаөткізгіш ИМС жасау кезінде активті RC-фильтр үшін базалық, күрделі операциялық күшейткіштерге басты көңіл бөлінеді. Буын фильтрі схемасында үш жоғары жиілікті күшейткіш қолданылады.

6.17-сурет. Импульсті күшейткіш схемасы: а- оң өрісті, б- теріс өрісті, б-биполярлы