Микроэлектроника.-2

370

371

*Минимальное значение сопротивления нагрузки кОм.

На основе планарно-эпитаксиальной технологии с изоляцией элементов p-n-переходами разработаны ИМС мощных (IВЫХ≥1А)

ивысоковольтных (UВЫХ=±19В) ОУ.

Применение ОУ. Возможности практического применения

ОУ как базовых элементов аналоговой схемотехники вытекают из многообразия вариантов их применения, что определяется включением ОУ в линейные и нелинейные цепи ООС. В общем случае различают две схемы включения ОУ, охваченного ООС:

инвертирующую и неинвентирующую (рис. 7.6.).

Для инвертирующей схемы включения (рис. 7.6, а) фаза выходного сигнала ОУ сдвинута на 180° относительно фазы входного сигнала. В идеальном случае передаточная функция этой схемы

KU И = -U ВЫХ /U ВХ » -Z0 / Z1

где Z0 — сопротивление цепи ООС; Z1 — сопротивление источника сигнала.

Для неинвертирующей схемы включения (рис. 7.6, б) фаза выходного сигнала повторяет фазу входного. Передаточная функция ОУ в неинвертирующем включении

KU НИ = U ВЫХ /U ВХ = 1 + Z0 / Z1

Инвертирующее включение ОУ является основой построения большинства схем (устройств) обработки сигналов. На базе этого включения реализуются дифференциальные усилители -по стоянного тока, мостовые усилители, аналоговые интеграторы, дифференциаторы, сумматоры, усилители переменного тока с обратной связью, преобразователи ток — напряжение, стабилизаторы напряжения, а также нелинейные схемы ограничителей, логарифмических усилителей. Данные и другие устройства реа-

372

лизуются посредством одного или нескольких ОУ с линейной и нелинейной обратными связями.

Рис. 7.6. Основные схемы включения ОУ: а) — инвертирующая; б) — неинвертирующая

Неинвертирующее включение ОУ применяется в тех случаях,

когда необходимо согласовать маломощный источник сигнала, обладающий большим внутренним сопротивлением с низкоомной нагрузкой. Такое включение ОУ используется в основном для построения масштабных усилителей.

Пользуясь выражениями, записанными выше можно проанализировать различные конкретные схемы включения ОУ с учетом того, что:

на входные выводы ОУ ток от источника сигнала не ответвляет-

ся ( RВХ ® ¥ );

напряжение между входами ОУ, замкнутого ООС, практически равно нулю ( KU ® 0 ).

На рис. 7.7 приведены примеры включения ОУ для построения наиболее распространенных устройств. При этом передаточные функции описываются следующими выражениями:

373

для инвертирующего сумматора (рис. 7.7, а)

U ВЫХ = -(R0 / RR )(U1 +U 2 +U 3 )

А при R0= R1= R2= R3= Ri=RR и n входах

n

U ВЫХ = -åU i ; i=1

для логарифмирующего усилителя(рис. 7.7, б), когда в цепь ООС включен диод, U ВЫХ = -jт ln(U ВХ / RI S );

для аналогового интегратора (рис. 7.7, в)

1 t

u ВЫХ (t) = - RC 0òuВХ (t)dt;

для дифференциатора (рис. 7.7, г)

uВЫХ (t) = -RC duВХ (t) ; dt

В зависимости от группы ОУ и типа ООС известно более 200 разнообразных устройств, в которых используется ОУ.

7.4. БИС цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей

Для преобразования аналоговых сигналов в цифровой эквивалент используют аналого-цифровые преобразователи(АЦП), а

374

для обратного преобразования цифровых уровней в аналоговые

— цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

Развитие техники АЦП и ЦАП осуществлялось поэтапно— от простых наборов ИМС, на базе которых конструировали преобразователи, до создания БИС АЦП и БИС ЦАП по различным технологиям.

Цифроаналоговые преобразователи. БИС ЦАП условно под-

разделяют на две группы:

1)ЦАП с резистивными матрицами;

2)безматричные ЦАП.

U ШК ,-d ШК = U ШК /(2 N -1) ;

— абсолютная погрешность d ПШ , определяемая отклонением значения выходного напряжения(тока) от номинального (расчетного), соответствующая последнему шагу преобразования и измеряемая в единицах младшего значащего разряда (МЗР);

— нелинейность d Л , определяемая как наибольшее отклонение выходного сигнала от прямой линии абсолютной точности;

— дифференциальная нелинейность, d Л . ДИФ , определяемая

минимальной разностью погрешности нелинейности двух - со седних квантов преобразования;

—время установления выходного напряжения или токаtУСТ определяемое как интервал времени от подачи входного кода до вхождения входного сигнала в пределы наперед заданной зоны ошибки вокруг окончательного требуемого аналогового уровня;

—максимальная частота преобразованияfпрб, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

БИС ЦАП разрабатывают и изготовляют по таким технологиям, по которым изготовляются другие ИМС, предназначенные для совместного применения.

375

Структурное построение ЦАП рассмотрим на примере БИС К594ПА1, представляющей собой 12-разрядный ЦАП параллельного двоичного кода в выходные уровни тока(рис. 7.8,а). БИС содержит три группы элементов, объединенных между собой на выходе делителями тока. Каждая группа — это четырехразрядный ЦАП с суммированием токов. БИС состоит из источников токов 1, схемы формирования опорного напряжения2, токовых ключей 3, схемы сдвига (смещения) входных уровней 4; преобразователя напряжения источника питания5. Для преобразования выходного тока ЦАП в уровни выходного напряжения (0 —UШК) используют совместное включение данной БИС с ИМС ОУ. Схема включения БИС ЦАП в режиме получения однополярного сигнала для работы с цифровыми ТТЛ-ИМС приведена на рис. 7.8, б, а в режиме получения однополярного выходного тока — на рис. 7.8, в. Наряду с таким построением разрабатывают БИС ЦАП с входными аналоговыми перемножителями, например К572ПА1, К572ПА2.

Аналого-цифровые преобразователи. По структуре построе-

ния БИС АЦП подразделяют на АЦП с применением ЦАП и без них. Основными характеристиками БИС АЦП являются:

— разрешающая способность, определяемая разрядностью и максимальным диапазоном входного (аналогового) напряжения (полной шкалой);

376

стью (определяется как для ЦАП, но по отношению к входному в)

сигналу) ;

— быстродействие, характеризуемое временем преобразования

tпрб.

В настоящее время наибольшее распространение получили БИС АЦП с ЦАП развертывающего типа, в которых аналоговый сигнал преобразуется в цифровой последовательно, начиная с самого младшего значения до уровня, пока выходное аналоговое напряжение ЦАП не сравнится с входным аналоговым напряжением АЦП, а также БИС АЦП последовательного приближения со счетчиком.

На рис. 7.9 приведена функциональная схема БИС10разрядного быстродействующего АЦП последовательного приближения КП08ПВ1, работающего совместно с цифровыми ТТЛ-ИМС. БИС содержит ЦАП 1, регистр последовательного приближения 2, входной регистр на три состояния3, тактовый генератор 4, источник опорного напряжения5, компаратор 6, ОУ 7. Данная БИС предусматривает работу в 10- и 8-разрядных

378

8. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

8.1. Общие сведения

Цифровая техника применяется для обработки цифровой - ин

формации очень давно. Цифровые системы были использованы

в первых вычислительных машинах (40-е годы), построенных на

электромагнитных реле и электронных лампах. Появление по-

лупроводниковых приборов, а в дальнейшем и интегральных

микросхем дало новый толчок развитию цифровой техники. Ин-

тегральные микросхемы стали основной технической базой со-

временных электронных вычислительных машин. Непрерывное

повышение степени интеграции микросхем позволяет создавать

на одном кристалле полупроводника цифровые системы, экви-

валентные вычислительным машинам четвертого поколения (на

больших и сверхбольших интегральных микросхемах).

Развитие микроэлектроники потребовало во многих случаях новых схемотехнических решений по сравнению со схемотехникой на дискретных транзисторах.

При разработке схемотехники интегральных микросхем следовало учитывать, что технологически в полупроводниковых ин-

379

тегральных микросхемах получать активные элементы(диоды, транзисторы) значительно проще, чем пассивные (резисторы, конденсаторы). Схемотехнические решения в микроэлектронике, используя основные решения дискретной электроники, позволили создавать аппаратуру, выполняющую весьма сложные функции.

Микроэлектроника, отличающаяся созданием сложных схем в микрообъемах твердого тела, породила ряд новых схемных решений, которые не были известны и не могли быть реализованы на дискретных компонентах.

Независимо от конструктивно-технологических особенностей и

схемотехнических решений все ИМС по виду обрабатываемой

информации делятся на цифровые и аналоговые.

Цифровые ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. Цифровые ИМС используют элементы и структуры с двумя ус-

тойчивыми состояниями и применяются преимущественно в устройствах дискретной автоматики, вычислительной техники, а в последнее время в технике связи и других отраслях.

В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные

ключи - аналоги металлических контактов. Ключи характеризу-

ются двумя устойчивыми состояниями: разомкнутым и замкну-

тым. На базе простейших ключей строятся более сложные схе-

мы: логические, бистабильные, триггерные (спусковые) и др.

В цифровых интегральных микросхемах обычно используется двоичная система счисления, основанием которой является чис-

ло 2. При этом целое k - разрядное десятичное число A10 запи-

сывается в виде n-разрядного двоичного числа A2 :