Микроэлектроника.-2

350

Идеализированное выражение последней формулы с определенной точностью реализуется перемножителями.

Функция частотной фильтрации реализует выделение требуе-

мого диапазона частот из полного спектра., подвергаемого преобразованию, для чего служат различные фильтры. Рассмотренные основные аналоговые функции в совокупности образуют полный набор операций, необходимых для построения аналоговой техники. Схемотехническая реализация определяет номенклатуру аналоговых ИМС, которые в большинстве случаев реализуются в виде полупроводниковых ИМС и БИС.

7.2. Номенклатура и схемотехника построения аналоговых ИМС

До недавнего времени производство аналоговых ИМС ограничивалось техническими возможностями изготовления активных и пассивных элементов с требуемыми параметрами, а их применение определялось мощностью и способностью преобразования сигналов переменного тока. По мере усовершенствования технологии и методов проектирования номенклатура и выпуск аналоговых ИМС увеличиваются. Этому способствуют такие факторы:

а) создание транзисторных структур с высокими пробивными напряжениями; б) создание высокочастотных транзисторов в интегральном исполнении;

в) высокая степень согласования одинаковых параметров различных элементов, выполненных в одном кристалле;

г) создание биполярных транзисторов типовn-р-n и р-n-р и МДП-транзисторов в одном кристалле единым технологическим процессом;

д) технологическая реализация RLS-структур с распределенными параметрами в микроэлектронном исполнении; е) совершенствование технологических процессов микроэлектроники в целом;

ж) совершенствование методов проектирования, в частности моделирования, и их автоматизация.

Перечисленные факторы позволяют реализовать в интегральном исполнении различные основные и специальные аналоговые

351

функции, что обеспечило создание широкой номенклатуры аналоговых ИМС.

Номенклатура. Основу номенклатуры аналоговых ИМС - со ставляют ИМС, реализующие основные и специальные аналоговые функции. В зависимости от выполняемой функции аналоговые ИМС подразделяются на следующие основные виды: многоцелевые усилители, операционные усилители, компараторы напряжения, ограничители, перемножители, активные и пассивные фильтры, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, стабилизаторы напряжения и тока, коммутаторы и ключи, формирователи, генераторы, детекторы, модуляторы, смесители и др.

Многоцелевые усилители предназначены для усиления сигналов в широком диапазоне частот. К ним относятся усилители низких, промежуточных и высоких частот, видеоусилители и широкополосные усилители.

Наиболее распространенным видом аналоговых ИМС широкого применения являются операционные усилители (ОУ), которые осуществляют функцию усиления и выполняют роль базового универсального элемента для построения многих аналоговых узлов.

Компараторы напряжения реализуют функцию сравнения и предназначены для преобразования пороговых сигналов в цифровую форму; основу их построения составляют ОУ.

Ограничители, реализующие функцию ограничения и предназначенные для изменения формы сигналов, разрабатывают на основе базовых элементов аналоговых ИМС(ОУ, компараторов и др.) при совместном включении таких нелинейных элементов, как диоды, стабилитроны, транзисторы. Следует отметить, что ограничение сигналов присутствует во всех аналоговых ИМС.

Перемножители реализуют функцию перемножения и предназначены для перемножения двух аналоговых сигналов. Их применение позволило унифицировать разнообразные функции радиотехнических преобразований - модуляцию, умножение, деление, гетеродирование и демодуляцию частот. В измерительной технике аналоговые ИМС перемножителей осуществляют калибровку и масштабирование сигналов.

352

Фильтры относятся к ИМС, выполняющим функции частотной селекции (фильтрации). Реализация функции частотной фильтрации совместно с функцией усиления образует радиотехнические цепи, специализированные для того или иного диапазона волн, значения реактивных параметров, полосы частот, стабильности, мощности. Фильтрация в диапазоне низких частот реализуется активными фильтрами на основе ОУ. В диапазоне радиоволн для фильтрации применяются колебательныеLC-контуры, в диапазоне СВЧ - микрополосковые линии. Наряду с традиционными фильтрами в видеLC-контуров, пьезокварцевых или электромеханических резонаторов микроэлектроника обеспечила разработку и серийный выпуск ИМС частотной фильтрации в виде активных RC-цепей и устройств на основе поверхностных волн и приборов с зарядовой связью.

Большое распространение в номенклатуре аналоговых ИМС получили также ИМС стабилизаторов напряжения и взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигналов. Стабилизаторы напряжения предназначены для стабилизации передаточных функций; они применяются практически во всех электронных блоках. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП) являются основными ИМС для преобразования соответственно аналоговых сигналов в цифровой код и цифровой информации в аналоговые сигналы. Их применение обеспечивает цифровую обработку аналоговых сигналов и -по следующее преобразование результатов обработки.

Аналоговые коммутаторы и ключи предназначены для распределения во времени информации, поступающей на обработку от нескольких датчиков.

К аналоговым ИМС относятся также некоторые схемы формирования, преобразования и сопряжения сигналов: формирователи, генераторы, детекторы, смесители, модуляторы, усилителиформирователи, усилители считывания для ЗУ и др. Поскольку число таких схем велико, а стандартизация их затруднена, для сохранения преимуществ групповых методов производства при их построении используют различные базовые элементы, чаще всего ОУ с дополнительными цепями.

В последнее время появились такие многоцелевые аналоговые БИС, как программируемые ОУ и таймеры. Программируемые

353

ОУ состоят из одного или нескольких ОУ, перестраиваемых на два и более режима работы. Таймеры, настраиваемые внешней коммутацией обратной связи, реализуют различные специальные аналоговые функции, характерные для импульсной техники.

Отметим, что в отличие от цифровых аналоговые ИМС не характеризуются совокупностью параметров, единых для всех типов схем. Каждая группа аналоговых ИМС характеризуется определенными параметрами, свойственными только для однотипных ИМС.

Схемотехника построения. Для схемотехнического построения аналоговых ИМС характерны два принципа, отражающие специфику групповой технологии их изготовления и тенденцию роста степени интеграции:

-взаимного согласования цепей;

-схемотехнической избыточности.

Дифференциальный каскад (ДК) представляет собой симметричную структуру из двух транзисторов Т1 и Т2, резисторов RH ,

RH' , со строго согласованными параметрами в полном диапазоне воздействующих факторов и общего резистораR1 (рис. 7.1, а). На входы U1 и U2 могут поступать синфазные сигналы (одинаковые по значению и полярности) или дифференциальные сигналы (равные по значению, но противоположной полярности). Симметрия ДК оценивается отношением коэффициентов усиления транзисторов Т1 и Т2. Мерой оценки качества ДК, т. е. степени приближения ДК к его идеальной моде, служит КОСС - коэффициент ослабления синфазной составляющей сигнала, равной отношению коэффициентов усиления ДК для дифференциальной и синфазной составляющих сигнала(для идеального ДК КОСС= ¥).

В реальном ДК значение КОСС определяется отношением - со противлений R1/ri (ri - приведенное внутреннее сопротивление транзистора).

355

Эталоны тока предназначены для ослабления температурной зависимости входных цепей аналоговых ИМС. Простейшим схемотехническим решением такого ослабления является включение в цепь базы транзистора усилителя дополнительного диода и источника тока(рис. 7.2, а) или транзистора в диодном включении и источника напряжения(рис. 7.2, б). При этом включаемые в цепь базы диод и транзистор должны быть согласованы с переходом база – эмиттер транзистора усилителя. Такие простейшие эталоны тока в микросхемотехнике называют отражателем или зеркалом тока.

В схемотехнике аналоговых ИМС получили применение также двухтранзисторные и трехтранзисторные схемы источников тока.

Схема рис. 7.2, в предназначена для поддержания в коллекторной цепи транзистора Т2 тока IK с точностью, близкой к точности эталонного источника U.

Для этого в цепь базы транзистора T2 включен согласованный с ним транзистор Т1, предназначенный для компенсации измене-

356

ний напряжения между базой и эмиттером транзистора T2 в полном диапазоне изменения температуры и напряжения питания. В схеме рис. 7.2,г введением транзистора Т3 (повторителя на-

пряжения) достигается равенство токов I1 » I К1 » I K 2 , а в

схеме рис. 7.2, д ток IК1 повторяет токIЭ2, что обеспечивается включением транзистора Т3, согласованного с транзистором Т1. В приведенных схемах эталонов тока повышение точности достигается введением избыточности элементов, согласованных с другими элементами.

Входные каскады многих аналоговых ИМС(ОУ, компараторов, перемножителей и др.) строят по однотипной структуре, в основу которой положены схемные решения ДК и эталонов .тока Простой входной каскад (рис. 7.3, а) состоит из ДК на взаимно согласованных транзисторах Т1 и Т2 и эталона тока на взаимно согласованных транзисторах Т3 и Т4. Его недостатками являются малый коэффициент усиления (требуется дополнительный каскад усиления) и высокий потенциал коллекторов транзисторов Т1, Т2 в отсутствие сигналов на входах(требуется снижение уровней напряжения).

357

Каскад с ДК на комплементарных транзисторах и двухтранзисторной схемой эталона тока (рис. 7.3, б) обладает высоким усилением и непосредственно согласуется с выходными каскадами аналоговых ИМС.

Использование ДК на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона (рис. 7.3, в), обеспечивает увеличение входного сопротивления каскада до 20 МОм и уменьшение входных токов до 5 нА при сохранении высокого коэффициента усиления тока. Наилучшие результаты по точности достигаются в схемах с каскодным включением супербета-транзисторов Т1, Т2 и высоковольтных транзисторов Т3, Т4 типа п-р-п (рис. 7.3, г).

В некоторых случаях во входных каскадах для повышения входного сопротивления используют МДП-транзисторы совместно с биполярными.

Выходные каскады аналоговых ИМС в зависимости от конкретного применения строят как по простой, так и по сложной схемотехнике (рис. 7.4). Для снижения мощности, потребляемой в

статическом режиме простым эмиттерным повторителем

359

7.3. ИМС операционных усилителей

Современные операционные усилители (ОУ) выпускаются в виде однокристальных полупроводниковых ИМС в различных корпусах.

ОУ - интегральный усилитель постоянного тока(усилитель с непосредственными связями) с большим коэффициентом усиления, предназначенный для построения аналоговых узлов аппаратуры.

Параметры узлов зависят только от свойств цепи отрицательной связи (ООС), которая охватывает ОУ и снижает его усиление до значения KU < KU' .

Схемотехническое построение ОУ основано на применении основных каскадов, рассмотренных в п. 7.2. В большинстве случаев ОУ строят по двухкаскадной схеме. Входной каскад представляет собой ДК с эталоном тока, построенный в соответствии с одной из схем, приведенных на рис. 7.3. Во многих ОУ используется каскадное соединение двух ДК, обеспечивающих ослабление синфазных сигналов и высокое усиление по каждому входу. Дифференциальный вход ОУ обеспечивает возмож-