5.3. Токовое зеркало
В АИС нередко возникает задача создания одинаковых или пропорциональных друг другу токов сразу в нескольких стабилизируемых цепях СЦ, рис. 39. Её решением является применение схемы «токовое зеркало».
Рис. 39
В такой схеме необходимое значение I0 задается сопротивлением R. При этом у Т1 установится некоторое напряжение Uбэ0. Так как все транзисторы схемы соединены участками база-эмиттер параллельно, такое же напряжение Uбэ0 установится у всех транзисторов схемы. Если транзисторы одинаковые, что легко обеспечивается при интегральной технологии изготовления, одинаковые режимы одинаковых транзисторов приведут к равенству токов всех СЦ требуемой величине I0. Таким образом, режимы «ведомых» транзисторов Т2, Т3, Т4… повторяют, «отражают» режим ведущего транзистора Т1. С этим и связано происхождение названия схемы.
Если необходимо неединичное отношение n токов ведущего и ведомого транзисторов, их изготавливают неодинаковыми. При этом изменяют только площадь эмиттерного перехода БТ, что не приводит к усложнению изготовления ИС. Поскольку ток инжекции и выходной ток БТ пропорциональны площади эмиттерного перехода Sэ, у любого ведомого БТ, например у Тn, можно получить ток nI0, где n = Sэn / Sэ1.
Аналогичные схемы применяются в МДП ИС.
5.4 Цепь сдвига уровня
АИС, как правило, имеют многокаскадную структуру. Включение усилительных каскадов один за другим позволяет получить любой желаемый коэффициент усиления:
Ku = Ku1 ∙ Ku2 ∙ Ku3 ….. (11)
Непосредственное подключение выхода одного каскада к входу следующего невозможно: постоянное (режимное) выходное напряжение каскадов, как правило, намного выше входного напряжения. Поэтому для соединения каскадов необходима некоторая цепь, отвечающая следующим требованиям:
1) постоянные (режимные) напряжения на входе и выходе могут отличаться на любую желаемую величину. В типичном случае это отличие может составлять несколько Вольт;
2) переменное напряжение (сигнал) должно передаваться от каскада к каскаду с возможно меньшим затуханием.
Такая цепь получила название цепь сдвига уровня, ЦСУ. Её включение показано на рис. 40.
На рис. 41 представлена типичная ЦСУ в АИС на биполярных транзисторах. Здесь цепочка диодов D1, D2, … Dn создаёт необходимый Сдвиг уровня. Напряжение на переходах диодов – прямое, поэтому все они
Рис. 40
Рис. 41
открыты. Напряжение U* на каждом из них составляет около 0,6…0,7 В. Ещё одно такое же напряжение возникает на открытом эмиттерном переходе вспомагательного транзистора Т. Поэтому полная разность напряжений на входе и выходе ЦСУ составляет (n+1)∙U* Вольт. Этот сдвиг можно изменять, изменяя количество диодов.
Такая схема отвечает и второму условию. Так как все p-n переходы ЦСУ открыты, они обладают малым дифференциальным сопротивлением (сопротивлением переменному току, т.е. сигналу).
5.5 Дифференциальный усилительный каскад
Для усиления сигналов в АИС, как правило, применяются не одиночные транзисторы, а дифференциальные усилительные каскады (ДУ). Схема простейшего ДУ на биполярных транзисторах изображена на рис. 42.
Рис. 42
Блародаря интегральной технологии, параметры элементов ДУ практически одинаковы. При одинаковых входных напряжениях токи транзисторов равны, падения напряжения на резисторах также равны и поэтому Uвых = 0. Если Uвх1 ≠ Uвх2, токи плеч неодинаковы и появляется некоторое Uвых ≠ 0. В общем случае
Uвых = Ku Uвх = Ku ( Uвх2 - Uвх1 ), (12),
где Ku – коэффициент усиления по напряжению.
Согласно (12) выходное напряжение ДУ пропорционально разности (дифференту) входных напряжений, с чем и связано происхождение названия такого усилителя.
ДУ обладает рядом ценных свойств, предопределивших его исключительное распространение в АИС. Эти свойства перечислены ниже.
1. В отсутствие Uвх электрический режим ДУ симметричен. Эту симметрию не нарушают главные дестабилизирующие факторы – изменение окружающей температуры и изменение питающего напряжения. В обоих случаях токи плеч изменяются. Но так как плечи одинаковые, изменения тоже одинаковы и симметрия сохраняется.
2. При одинаковых (синфазных) Uвх1 и Uвх2 выходное напряжение остаётся равным нулю, т.е. ДУ нечувствителен к синфазным входным сигналам. Такими сигналами являются многие виды помех.
3. Возможны дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее включения ДУ, все три используются при построении и применении АИС. На рис. 43,а представлено дифференциальное включение, соответствующее (12). На рис. 43,б – инвертирующее включение, при котором выходное напряжение противофазно входному. На рис. 43,в – неинвертирующее включение, при котором фазы входного и выходного напряжений совпадают.
Рис. 43,а Рис. 43,б
Рис. 43,в
4. Хотя в инвертирующем и неинвертирующем включениях сигнал подаётся только на один из входов, при этом «работают» оба транзистора ДУ. Так, если в схеме рис. 43,б при некотором Uвх1 ток Т1 увеличится, точно на такую же величину уменьшится ток Т2, хотя сигнал на него не подан. Это сдедует из того, что суммарный ток Т1 и Т2 стабилизирован ГСТ и всегда равен I0.
Реальному ДУ свойственен ряд неидеальностей. Одной из самых существенных является невозможность обеспечения абсолютного равенства параметров элементов ДУ: сопротивлений R, параметров транзисторов. Поэтому у реального ДУ
Uвых = Ku ( Uвх2 - Uвх1 ) ± Uсм , (13),
где Uсм – напряжение смещения, обычно очень небольшое.
Аналогичными свойствами обладают ДУ на МДП транзисторах .