5. Аналоговые интегральные схемы
5.1. Особенности схемотехники аналоговых ис
Основной особенностью схемотехники аналоговых ИС (АИС) является использование аналоговых сигналов, описывающихся непрерывными функциями времени. У аналоговых устройств в каждый момент времени должно выполняться строгое соответствие между входным и выходным сигналом. Например, в аудиоусилителе выходной сигнал пропорционален входному сигналу и нарушение этого соответствия воспринимается как искажение сигнала, вплоть до полной потери его разборчивости. Единственный режим транзисторов и других усилительных приборов, в котором аналоговое соответствие мгновенных значений сигналов возможно, это активный (усилительный) режим. Но и в этом режиме аналоговые сигналы подвергаются искажениям из-за нелинейности элементов, помех, изменения температуры и питающих напряжений и других дестабилизирующих факторов. Именно поэтому аналоговая электроника почти полностью вытеснена цифровой, сигналам которой свойственна высокая устойчивость к действию дестабилизирующих факторов (рис. 16).
Указанная особенность заставляет применять в АИС исключительные меры по стабилизации напряжений, токов и режимов транзисторов. Так, в типичной АИС – операционном усилителе только 10 – 20% транзисторов выполняют основную функцию – усиление сигнала. Остальные транзисторы обеспечивают стабильность режимов и выполняют другие вспомогательные функции.
Как и в ЦИС, в АИС практически не применяются L, C, R и другие элементы, «неудобные» для изготовления по интегральной технологии.
В АИС широко используется сильная корреляция параметров интегральных элементов, которая позволяет снизить влияние отклонения параметров элементов от номинальных значений.
Специфика АИС предопределила применение только нескольких типов хорошо зарекомендовавших себя узлов:
Генератор стабильного тока;
Токовое зеркало;
Цепь сдвига уровня;
Дифференциальный усилительный каскад.
5.2. Генератор стабильного тока.
Стабилизация напряжения сравнительно просто осуществляется при использовании электрического пробоя p-n перехода (стабилитрон). В таком состоянии напряжение на переходе остаётся практически неизменным даже при больших изменениях тока.
Более сложной задачей является стабилизация тока. Если стабильное напряжение обеспечивается элементами с вертикальной ВАХ (участок пробоя), то для стабилизации тока нужны элементы с горизонтальными ВАХ. Протяженными, почти горизонтальными участками ВАХ обладают выходные характеристики биполярного и МДП транзистора, рис. 37.
Рис. 37
Поэтому основным типом генератора стабильного тока (ГСТ) является БТ или МДП транзисторы, включённые последовательно с цепью, в которой нужно стабилизировать ток (стабилизиремая цепь, СЦ на рис. 38 а,б,в). Величина стабилизируемого тока I0 определяется режимом транзистора ГСТ, который задаётся входным током Iб0 в схеме с БТ или входным напряжением Uзи0 в схеме с МДП транзистором. На рис. 38,в представлена простейшая схема задания режима ГСТ. Здесь R1, R2, R3 определяют входной ток БТ, а диод D компенсирует температурные изменения режима.
Рис. 38,а,б,в