Лекции по АИС до ОУ

А И С

ЛИТЕРАТУРА

1. С. Соклоф. Аналоговые интегральные схемы. М.,Мир, 1988.

2. А.Б. Гребен. Проектирование аналоговых интегральных схем. М., Энергия. 1976.

3. Т.М. Агаханян. Интегральные микросхемы. М., Энергоатомиздат, 1983.

4. А.Г. Алексенко, И.И. Шагурин. Микросхемотехника. М., Радио и связь, 1982.

5. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М., Мир, 1983, 1996.

Л Е К Ц И Я 1

В В Е Д Е Н И Е

Классификация и основные термины для АИС.

• по области применения: ЦИС и АИС.

ЦИС:

вход выход

информация меняется дискретно,

значения 0/1, да/нет; изменения

сигнала - порядка напряжения

источника питания.

ВСЕ ОСТАЛЬНЫЕ СХЕМЫ - АИС.

ИНФОРМАЦИЯ в ЦИС - 2 и т.д. признаков, наличие «запрещенной зоны»,

в АИС - непрерывно меняющийся сигнал.

• Виды сигналов в АИС: - постоянный ток,

- переменный ток,

- амплитуды импульсов,

- частота и т.д.

ОСОБЕННОСТИ АИС.

1. Универсальность и многофункциональность (по экономическим причинам).

2. Функциональная избыточность.

3. Использование активных нагрузок, замена ими пассивных элементов.

4. Использование «самонастраивающихся» схем для компенсации технологического разброса параметров.

5. Широкое применение обратных связей для: коррекции параметров схемы, избирательного усиления, выполнения математических операций и т.д.

6. АИС выполняет некоторую аналоговую функцию с аналоговыми сигналами. Ошибки функционирования в реальных схемах связаны со следующими понятиями: конечные значения сопротивлений, частотные и температурные зависимости, дрейф параметров, рассогласование элементов, шумы, нестабильность источников питания и т.д.

Часто создают схемы с избыточностью качества для преодоления проблем, перечисленных выше.

Основные аналоговые функции: Усиление, сравнение, ограничение, перемножение, частотная фильтрация.

Также возможно получить специальные аналоговые функции при сочетании перечисленных возможностей: избирательное усиление, генерация сигналов и т.д.

Усиление. Это функция увеличения сигнала напряжения или тока в K_U раз в неограниченной полосе частот без нелинейных искажений сигнала. Пример таких схем - операционный усилитель (ОУ):

Z₁(p) Z₂(p)

U_{1 1} - e_вх(p)

U_вых

U_{2 2} + U_вх ОУ

+ U_вых

В ОУ с дифференциальным входом

U_ВЫХ = A_U^*(U₂ – U₁),

здесь A_U^*- коэффициент усиления для ОУ без отрицательной обратной связи (ООС).

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления A_U^*. Генерация не происходит, т.к. считается обратная связь (ПОС) полностью отсутствующей.

Пусть на входы U₁,U₂ подается последовательно одинаковый сигнал U_вх:

- при U₂ = 0, U_вых = - A_U^*U_вх ;

- при U₁ = 0, U_вых = A_U^*U_вх,

т.е. приращения напряжения по выходу равны по величине и противоположны

по знаку, входы ОУ называют дифференциальными.

- При U₁ = U₂ = U_вх - сигналы синфазные. В идеальном ОУ одновременная подача

синфазного сигнала не приводит к изменению на выходе схемы. Эффект

называется подавление синфазного сигнала.

- При U₂ = U_вх = U_д, U₁ = -U_вх= -U_д - равные и противоположные по знаку сигналы

(дифференциальные):

U_вых = A_U^*2U_вх = 2A_U^*  U_д,

т.е. приращения от входных напряжений складываются.

A_U^* может быть порядка 10⁵-10⁷ и выше. Чаще используют схемы с ООС для снижения коэффициента усиления A_U<< A_U^*.

В схеме ОУ с ООС

U_вых(p)e_вх(p) Z₂(p)/Z₁(p).

В основе ОУ и многих схем АИС лежит схема дифференциального усилителя (ДУ):

U_вх U_вых выходной сигнал в дифференциальной

форме реагирует на разницу входов,

например, сигналов постоянного тока.

Различают инвертирующий и неинвертирующий выходы.

Функцию усиления выполняют также т.н. радиотехнические схемы, в которых на входе и выходе обычно синусоидальные сигналы:

Широкополосные усилители.

A_U

ШПУ ШПУ

е_г Z_н е_г Z_н

  RC внешн. f_{гр.верх} f

компоненты инер-ть т-ров

Избирательные усилители. Работают в узкой полосе частот f. Должны обеспечивать минимальную обратную передачу сигнала. Характеризуются параметром добротность Связь обычно трансформаторная.

Q=f₀/f. A_U

f

ИУ

f₀ f

Низкочастотный усилитель. Усилитель мощности. Пример обозначения одновходового усилителя см. выше.

A

Внешние свойства компонентов схемы

элементы.

Тепловые

связи вU_вх U_вых

кристалле

f

Сравнение. Схемы компараторов. Функция сравнения аналоговых величин U₁ и U₂ с заданной точностью .

При совпадении входных переменных функция сравнения отождествляется с одним из состояний двузначной логики, U_вых = A , при отсутствии совпадения состояние считается противоположным: U_вых = - A .

Идеальный компаратор реализует функцию с нулевой погрешностью, = 0:

U_вых = A при U₁ = U₂,

U_вых = -A при U₁  U₂. U₁ 1 - U_вых

C

U₂ +

2

Применение идеального компаратора позволяет формировать сигналы нужной длительности и формы, преобразовывать аналоговую информацию в цифровую.

Ограничение. Схемы ограничителей выполняют следующую функцию преобразования зависимости f(U₁):

U₂ = f(U₁) при U₂^{^}<U₂<U₂^{^^}, U₂^{^^}

U₂ = U₂^{^^} при U₂ U₂^{^^},

U₂ = U₂^{^} при U₂ U₂^{^} 0 U₁ U_вх U_вых

U₂^{^} двусторонний ограничитель

Ограничители используются для изменения формы сигнала. С помощью идеальных функций усиления и ограничения можно хорошо описать нелинейные искажения в реальном ОУ, если превышен допустимый диапазон сигналов на входах. Разность U₂^{^^}-U₂^{^} определяет динамический диапазон ОУ (одна из неидеальностей схемы).

Перемножение. Схема должна выполнять умножение аналоговой величины U на другую величину V:

U_вых = kUV,

k - масштабный коэффициент, не зависящий от U и V.

Схемы перемножителей позволяют проводить калибровку и масштабирование сигналов, в радиотехнике позволили унифицировать такие преобразования, как модуляция, умножение, деление, гетеродинирование и демодуляцию частот.

U

V U_вых

Частотная фильтрация . Схемы реализуют выделение требуемого диапазона частот из входного полного спектра. Традиционно такие фильтры выполняли на LC-контурах, электромеханических резонаторах. В микроэлектронике функции выполняютя при помощи RC- цепей и ПЗС- приборов. Различают полосовые фильтры, а также фильтры высоких и низких частот.

U_вх U_вых U_вх U_вых U_вх U_вых

Полосовой ЧФ ВЧ фильтр НЧ фильтр

Составными частями АИС являются часто используемые схемы, выполняющие специализированные функции, или аналоговые эталоны, например, стабилизаторы напряжения, источники тока, источники напряжения, автогенераторы со стабильной точной частотой колебаний.

• источник синусоидального напряженияE

• источник постоянного (I) или переменного (J) тока I, J

• источник постоянного напряжения + Е₀

-

• реализация напряжения Е₀ из напряжения Е, E₀<E.

Е R E₀ E R E₀

Линейно-импульсные схемы. Преобразование характера информации из аналоговой в импульсную (цифровую) и наоборот.

1. Аналоговая в импульсную. Модулятор.

2. Импульсная в аналоговую. Демодулятор.

3. Аналоговая в цифровую (стандартную) АЦП.

4. а) цифровая (амплитуды импульсов) - в цифровую стандартную

б) цифровая (стандартная) - в цифровую (уровни тока), формирователи тока для перемагничивания ферритовых сердечников в ПЗУ.

в) цифровая в аналоговую, ЦАП.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СХЕМ

1. Расчет дифференциальных каскадов.

2. Расчет частотных характеристик.

3. Температурная стабилизация режимов транзисторов.

4. Тепловые связи кристалла.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ СХЕМ

Пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, индуктивности.

Активные элементы: диоды, транзисторы.

Л Е К Ц И Я 2

ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АИС

Термины и определения.

Сигналы в АИС могут быть синусоидальными:

- для случая, когда сигнал входа начинается не из 0.

При зависимости входного сигнала от частоты f реактивные элементы L и С искажают входные сигналы. В схемах с такими элементами закон Ома будет справедлив, если использовать понятие импеданс, или полное сопротивление:

.

В схемотехнике часто пользуются обозначением комплексной переменной j, a не i, чтобы не путать с величиной тока i.

ДЕЦИБЕЛ: аппарат измерения амплитуды синусоидальных сигналов.

дБ = 20 lg(A₂/A₁).

А - амплитуды сигналов, если А₂ больше А₁ - отношение положительное, +20 и т.д.,

если меньше - отрицательное, -20 дБ и т.д.

Аналогично можно считать отношение мощностей:

дБ = 10 lg(P₂/P₁).

Вводят эталонную амплитуду дБВ - 1 Вольт.

3 дБ = 20 lg(A₂/A₁)  A₂/A₁  1.4,

10 дБ = 20 lg(A₂/A₁)   3.1 .

Резистор. Интегральное исполнение резисторов определяет распределенный характер их параметров, который необходимо учитывать в модели сопротивления для схемотехники.

Структура резистора выглядит следующим образом для двух основных технологических маршрутов:

U_ип R R

Si^*

n⁺ SiO₂

p p p

n

биполярная структура МДП-структура

Номинал сопротивления рассчитывается по формуле:

R=n_. Нужно знать поверхностное сопротивление в Ом/квадрат и число квадратов n_.

Большие номиналы резисторов выполняются в виде меандров, они занимают большие площади, поэтому их выполняли прежде в гибридном исполнении. Например, резистор 50 кОм занимает площадь, равную площади 7 ИБТ или 50 МДПТ.

I_R пробой

раб.обл.

U

Каждый резистор конструктивно имеет распределенную емкость обратно-смещенного перехода в первом случае или МДП- типа во втором.

Эквивалентная электрическая схема интегрального резистора чаще всего представляется следующим образом:

R уровень распределенности может быть выше.

R/C C/2 C/2

В интегральной структуре сопротивление верхнего и нижнего слоев тела резистора может отличаться, поэтому более точная модель резистора может выглядеть следующим образом:

1 R1 2

П-образная схема резистора

С1 С2

3 4

R2

Определение параметров эквивалентной схемы резистора.

По слоям (r₀ – погонное сопротивление/ед.длины).

Для определения емкостей находим величины зарядов:

при К.З. узлов 2-4 определяем емкость на зажимах 1-3,

где С₀(l) - удельная емкость на квадрат площади, u(l) - напряжение в точке l.

Если пренебречь изменениями тока,

В случае проводящего нижнего слоя (r₀₂ = 0), R₂ = 0, формулы упрощаются соответственно.

RС- структуры могут быть однородными (С/=const, R/=const) или неоднородными (C/ = var, R/ = var).

Паразитный RC- эффект можно использовать для создания специальных схемных функций. RC- структуры используют в качестве ускоряющих, интегрирующих или дифференцирующих цепочек:

R ускоряющая цепь

C

R1

C1 R2 C2 линия задержки