dsd1-10 / dsd-06=Kruglov+АИС / PDF_VERSION pic / ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1_Shishina

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра интегральной электроники и микраосистем (ИЭМС)

«УТВЕРЖДАЮ» Заведующий кафедрой ИЭМС

_______________Ю.А.Чаплыгин «_____»________2002 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Москва 2002 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с методами реализации усилительных каскадов в аналоговых ИС и расчета их параметров.

2.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2.1.Изучить методы реализации усилительных каскадов в аналоговых ИС.

2.2.Выполнить исследовательскую часть работы.

2.3.Оформить отчет и защитить работу.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

3.1.Усилительные каскады на основе БТ.

Биполярные транзисторы обладают хорошими усилительными свойствами в сочетании с высоким быстродействием, что обусловило их широкое использование как усилительных элементов в кремниевых аналоговых ИС.

Простейшая схема усилительного каскада на основе БТ показана на рис.1. На рис 2 представлена его эквивалентная схема для малого сигнала.

Входное сопротивление каскада rвх зависит от режима работы и составляет

то входной сигнал не делится на входе и коэффициент усиления составляет

входное сопротивление БТ велико по сравнению с выходным сопротивлением генератора входного сигнала и коэффициент усиления определяется крутизной транзистора. При этом коэффициент усиления

существенно зависит от режима, поскольку gm Ik .

T

Во втором случае транзистор управляется током (его входное сопротивление мало) и коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления базового тока, который от режима в определенной области токов практически не зависит.

Теоретически для достижения максимального коэффициента усиления необходимо повысить сопротивления нагрузки до величины, которая много больше выходного сопротивления транзистора в схеме с общим эмиттером

G 1 U A . Однако реализация высокоомных резисторов в ИС затруднена,

Iк

кроме того с увеличением сопротивления нагрузки приходится повышать напряжение питания для сохранения приемлемой крутизны или входного сопротивления БТ.

Более эффективный способ повышения коэффициента усиления – применение токовой нагрузки. На рис. 3 показана схема усилитель - каскада, использующего в качестве нагрузки токовое зеркало на основе р-п-р транзисторов. Коэффициент усиления такого каскада равен

где Gn и Gp – выходные проводимости п-р-п и р-п-р транзисторов.

Преимущество такой схемы заключается также в том, что для задания тока в БТ применяется резистор R3, никак не влияющий на усиление, что позволяет использовать низковольтные источники питания.

Частотные свойства каскадов с общим эмиттером можно оценить по известной формуле

где - время жизни в базе неосновных носителей.

Вбольшинстве случаев последнее слагаемое является определяющим и

сувеличением сопротивления нагрузи граничная частота уменьшается обратно пропорционально коэффициенту усиления.

Для улучшения частотных свойств усилительных каскадов используются эмиттерные повторители, преобразующие выходное сопротивление каскада (рис. 4).

При выборе нагрузи в цепи эмиттерного повторителя следует учитывать влияние его входного сопротивления на коэффициент усиления каскада с одной стороны и на время разряд нагрузочной емкости – с другой.

Это позволяет сформулировать ограничения при выборе сопротивления нагрузки в цепи эмиттерного повторителя, обеспечивающие повышение быстродействия без потери коэффициента усиления:

RL 1 RER RL .

3.2.Усилительные каскады на основе МДПТ.

Крутизна полевых транзисторов существенно меньше, чем у биполярных, однако с уменьшением длины затвора до 1 мкм и менее, их крутизна становится достаточно высокой. Одновременно падает выходная проводимость приборов. В результате максимальный коэффициент усиления МДПТ примерно в 20 раз хуже, чем у БТ.

Тем не менее высокое входное сопротивление полевых транзисторов и достаточно высокое быстродействие короткоканальных МДПТ делает их использование в усилительных каскадах весьма привлекательным.

На рис.5-h показан вариант усилительного каскада на основе МДПТ с линейной нагрузкой. Коэффициент усиления такого каскада равен

В схемах с использованием токовой нагрузки, он близок к максимальному:

Частотные свойства усилительного каскада на основе ПТ можно оценить по формуле

где СЗИ - емкость затвор-исток МДПТ.

Для повышения быстродействия усилительные каскады подключаются к нагрузке через истоковый повторитель. Поскольку входное сопротивление повторителя очень велико, он не оказывает шунтирующего влияния на коэффициент усиления каскада. При выборе параметров транзисторов в повторителе исходят из необходимой постоянной времени заряда емкости

нагрузки Н : gп СН . (9)

Н

4. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ.

В ходе выполнения индивидуального задания проводится сравнительный анализ двух типов усилительных каскадов, номера схем которых определяются в зависимости от номера варианта (таблица, рис.5).

Исходные данные.

Резисторы в источниках входного сигнала 100 Ом.

Резисторы в нагрузке RL(Rн) ~ 2-5кОм, нагрузочные емкости CL(Cн)~ 2 пФ. Ток в источниках тока равен 1 мА.

В токовых зеркалах коэффициент передачи тока равен 1. Напряжения питания по варианту.

Разброс номиналов источников питания +/- 10%. Температурный диапазон -250… +800 .

Разброс технологических параметров +/- 10%.

При выполнении индивидуальных заданий можно считать, что все однотипные биполярные и МДП транзисторы имеют одинаковые характеристики.

4.1.РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1.Получить ВАХ активного биполярного или МДП транзистора (рис. a,b,c,d) в соответствии со схемой варианта.

Рассчитать при помощи ВАХ значения передаточной проводимости gm для тока Iк (Ic)1 мА;

Получить величину UA из выходной ВАХ, рассчитать выходную проводимость G.

Оценить изменение g и G в заданном температурном диапазоне

-250 … +800С.