dsd1-10 / dsd-06=Kruglov+АИС / PDF_VERSION pic / ЛЕКЦИИ АИС 1 ЧАСТЬ _ДО ОУ_

Классификация и основные термины для АИС.

• По области применения: ЦИС и АИС.

ЦИС: вход

выход

«1»

информация меняется дискретно,

значения 0/1, да/нет; изменения

сигнала - порядка напряжения

«0»

источника питания.

ВСЕ ОСТАЛЬНЫЕ СХЕМЫ - АИС.

зависимости, неидеальность и дрейф параметров, рассогласование элементов,

шумы, нестабильность источников питания и т.д.

Часто создают схемы с избыточностью качества для преодоления проблем,

перечисленных выше.

АНАЛОГОВЫЕ ФУНКЦИИ: Усиление, сравнение, ограничение,

ОСНОВНЫЕ

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 АU раз в

неограниченной полосе частот без нелинейных искажений сигнала. Пример таких схем -

операционный усилитель (ОУ):

Z1(p)

Z2(p)

U1

1 -

eвх(p)

U2

2 +

Uвых

Uвх

+ОУ

Uвых

В ОУ с дифференциальным входом

UВЫХ = AU*(U2 – U1),

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

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления AU*. Генерация не

происходит, т.к. считается

полностью отсутствующей положительная обратная связь

(ПОС).

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

-

при U2

= 0, Uвых = - AU*Uвх ;

-

при U1

= 0, Uвых = AU*Uвх,

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

по знаку, входы ОУ называют дифференциальными.

-

При U1 = U2

= Uвх - сигналы синфазные. В идеальном ОУ одновременная

подача синфазного сигнала не приводит к изменению на выходе схемы.

Эффект называется подавление синфазного сигнала.

-

При U2

= Uвх

= Uд, U1 = -Uвх= -Uд

- равные и противоположные по знаку сигналы

(дифференциальные):

Uвых = AU* 2Uвх = 2AU*

Uд,

т.е. приращения от входных напряжений складываются.

AU* может быть порядка 105-107 и выше. Чаще используют схемы с ООС для снижения

коэффициента усиления AUос<< AU*.

В схеме ОУ с ООС Uвых(p) ≈ eвх(p) Z2(p)/Z1(p).

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

Uвх

ДУ

Uвых

выходной сигнал в дифференциальной

Широкополосные усилители.

AU

ег

ШПУ

Zн

ег

ШПУ

Zн

τ = RC τ=1/ω

ω=2π

f

внешн.

fгр.верх

f

компоненты

инер-ть т-ров

∆ f

ИУ

f0

f

Низкочастотный усилитель. Усилитель мощности. Пример обозначения

одновходового усилителя см. выше.

ВнешниеAu

свойства компонентов схемы

элементы.

Тепловые

Uвых

связи в

Uвх

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, Uвых

= A , при отсутствии совпадения состояние считается

противоположным: Uвых = - A .

Идеальный компаратор реализует функцию с нулевой погрешностью, ∆ = 0:

Uвых = A при U1 = U2,

Uвых = -A при U1 ≠ U2.

U1

1 -

C

Uвых

U2

2+

U2

= f(U1) при

U2^<U2<U2^^, U2^^

U2

= U2^^

при

U2

≥

U2^^,

U2

= U2^

при

U2 ≤

U2^

0

U1

Uвх

Uвых

U2^

двусторонний ограничитель

Ограничители используются для изменения формы сигнала. С помощью идеальных

функций усиления и ограничения

можно хорошо описать нелинейные искажения в

Uвх

Uвых

Uвх

Uвых

Uвх

Uвых

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 напряжения

E

•

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

Термины и определения в АИС.

Л Е К Ц И Я

2

Сигналы

в аналоговых схемах

могут быть сложной формы. Аналоговый сигнал

представляется в векторной, комплексной форме, определяются амплитуда для

реальной (Re) и мнимой (Im) части, фазовый угол ϕ :

2

Im(A)

A = Re(A )

•

jϕ

2

+ j Im(A ), A = Am e

Am =

Re (A) + Im (A),

tgϕ = Re( A)

j

A

ImA

Am

-t0

T

t

(ϕ 0)

(ω t=2π

)

(ω t)

В аналоговой схемотехнике часто пользуются обозначением комплексной переменной j, a

не i, чтобы не путать с величиной тока i.

Кроме амплитуды определяется действующее значение сигнала:

U = Um/√ 2, I = Im/√

2.

Сигналы в АИС могут быть синусоидальными:

U =U0 sin(2π

ft)

=U0 sin(ω t),

U =U0 sin(ω t + ϕ

0 ),

Re(U ) = U0 cosϕ ,

Im(U ) = U0 sinϕ , -

случай, когда сигнал

входа

ω

= 2π f .

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. Соответственно для

резистора, конденсатора и индуктивности импеданс определяется следующим образом:

ZR = R;

ZC = −

jω C ;

ZL = jω L .

Величина тока,

соответственно:

IR = U ;

IC = Uω Ce j900 ;

IL =

U

e− j900 .

R

ω L

Диапазоны изменения и усиления сигналов в АИС очень велики, поэтому используют

логарифмические масштабы и нормализованные величины. Самая распространенная

единица измерения величин сигналов – децибелл.

ДЕЦИБЕЛ: аппарат измерения амплитуды синусоидальных сигналов.

дБ = 20 lg(A2/A1).

А - амплитуды сигналов:

•

если А2 больше А1

- отношение положительное, +20 или другое число,

•

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)

значит, A2/A1

1,4;

6 дБ = 20 lg(A2/A1)

…….

≈

2;

8 дБ = 20 lg(A2/A1)

…….

≈

2,5,

10 дБ = 20 lg(A2/A1)

……….

≈

3,1.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ СХЕМ

Пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды.

Активные элементы: транзисторы.

ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АИС

Интегральный резистор (ИР). 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:

L

Uип

L

W

Si*

R

W

R

xj

n+

SiO2

xj

p

p

p

n

биполярная структура

МДПструктура

НоминалLсопротивления рассчитывается по формуле:

R= ρ V

W x j

= ρ S 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.

IR

пробой

раб.обл.

U

Каждый резистор конструктивно имеет распределенную емкость обратно-смещенного

перехода в первом случае или МДПтипа во втором.

Эквивалентная электрическая

схема

интегрального

резистора

чаще

всего

представляется следующим образом:

R

уровень распределенности может быть выше.

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

R2

4

L

L

По слоям

R1

= r 01 (l )dl ,

R 2

= r

02 (l )dl . (r0 – погонное сопротивление/ед. длины).

0

0

Для определения емкостей находим величины зарядов:

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

d QRC

Q

q

q

0

C1 =

d U13

,

L

(l )dl ,

(l ) =

C

(l )

u (l ),

RC

=

0

0

0

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

u(l )

L

[r

01 (l ) + r02 (l )]i (l )dl ,

=

0

U 13

L

= [r01 (l ) + r02 (l )]i (l )dl ,

0

L

L

L

01 (x ) + r02 (x )]dxdl .

QRC

= q (l )dl = C 0

(l )dl i (l )[r

0

0

0

Если пренебречь изменениями тока,

l•‘

l•‘

[r01 (x) + r02 (x)]dxdl

C1 =

C0 (l)

,

0

l

l•‘

[r01 (l) + r02 (l)]dl

0

0

l

C0 (l) [r01 (x) + r02 (x)]dxdl

C2 =

l•‘

l•‘

.

l•‘

[r01 (l) + r02 (l)]dl

0

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

соответственно.

RСструктуры могут быть однородными (С/

= const, R/ = const) или неоднородными

(C/ = var, R/

= var).

Паразитный RCэффект можно использовать для создания специальных схемных

функций.

RC-

структуры

используют

в

качестве ускоряющих, интегрирующих

или

дифференцирующих цепочек:

ускоряющая цепь

R

CR1

C1

C2

линия задержки

Интегрирующая цепь - интегральный резистор

R2

C

R

дифференцирующая цепь

•

U

Uвх [R + j / ω C]

.•

U вх

вх

I

=

=

=

,

ZΣ

R − j

/ω

C

R2 +

(1

ω 2 C2)

Uвых = I ZR = IR =Uвх R(R + j /ω C)[

2 + (1

ω

2

C

2)]1 =

Uвх ω RC

R

=

.

(1 +ω 2 R2 C2)1/ 2

Uвых/Uвх

На высоких частотах (ВЧ) Uвых ≈ Uвх,

1

ω

на НЧ Uвых 0, т.е. получили фильтр высоких частот (ВЧФ).

3дБ = 1 RC

Для синусоидального сигналаω единичной амплитуды

U

вх = U sinω

t,

= URC d sin ω

t = Uω RC cosω

t,

R>> 1кОм.

Uвых

dt

<<

•

при

ω RC << 1,

Uвых

Uвх

RC << 1/ ω .

Для импульсного сигнала диаграмма будет такая: Uвх

I

Uвых0

Uвх

Uвых

0

I

Uвых/Uвх

1

Uвх

R

Uвых

Rн

Uвых = I Zвых,

I = Uвх/ZΣ

ω

( −3дБ) = 1 RC ω логарифм. масштаб

Uвых

= Uвх

1

1

t

.

U вых

=

U вх

(τ )dτ + Const ,

(1 + ω

2

2 2

1/2

RC

R C

)

0

для синусоидальных сигналов.

При малых RС (ω

→∞

) Uвых

→0

- получили фильтр низких частот.

Выход фильтра низких частот (НЧФ) можно использовать как самостоятельный

источник питания: при больших RС, Uвых<< Uвх т.е. ток пропорционален Uвх, почти

идеальный генератор.

Uвх

участок линейной зависимости имеет 10%

t ошибку при 10% изменении входного напряжения.

Uвых

Zвых ≈

ZС ≈

0 на высоких частотах.

Для Zвх

в схеме НЧФ учитывается номинал R (например,≈ 1 кОм)

t

плюс сопротивление нагрузки Rн на низких частотах,

на высоких частотах учитывается только R=1 кОм.

В качестве генератора тока используют резистор большого номинала.

Cудя по виду выходного сигнала НЧФ, можно получить

аппроксимацию

пилообразного сигнала.

Вернемся к резистору. Эквивалентная схема интегрального резистора представляет

собой фильтр низких частот с постоянной времени τ = RC/2.

Время нарастания фронта от 0,1 до 0,9 амплитуды составляет 2,2τ , ширина полосы по

уровню 3 дБ (частота сопряжения)

f 1 =

1(2πτ

) , τ = RC.

Частотная характеристика интегрального резистора с учетом его эквивалентной схемы

фильтра низких частот:

Uвых/Uвх

1

наклон –6дБ/октаву, lg(Zвх/R)

0

1

10

100

ω (логарифмический масштаб)

ω

-3дБ = 1/RC

Точка -3 дБ находится на частоте f = 1/2π

RC.

f

1

l

f −3дБ ≈

13 ρ S C0 L2 .

−3дБ ≈

3RC ,

R= ρ S A

Высокочастотные параметры резисторов

R, кОм

τ =RC

tфронта

Ширина полосы

1

113 пс

0,25 нс

1,41 ГГц

10

11,3 нс

24,8 нс

14,1 МГц

50

281 нс

619 нс

3,5 МГц

100

1,13 мкс

2,48мкс

141 кГц

200

4,5 мкс

9,9 мкс

35 кГц

300

10,1 мкс

22,3 мкс

16 кГц

Температурную зависимость номинала резистора

характеризует температурный

коэффициент сопротивления (резистора) - ТКС (ТКР).

R = R0(1 + TKC ∆ T),

∆ T- диапазон температур, R0

- сопротивление при комнатной

температуре.

Для самого распространенного типа ИР в сжатом базовом слое (пинч-резистор),

ТКС=2-5*10-3

град-1. В миллиамперном диапазоне токов изменение падения напряжения

на килоомном резисторе составит 2-5 мВ.

Интегральный конденсатор. В интегральных схемах используют два вида

конденсаторов: на р-n-переходах и пленочные со структурой металл-диэлектрик-

полупроводник (МДП) или металл-диэлектрик-металл (МДМ).

Все обратно-смещенные переходы обладают барьерной емкостью

C0 =

q ε 0ε Si

N n N p

-

2ϕ k

N n + N p