KONSPEKT_LEKTsIJ_EiEKUiS

неидеальными. Они характеризуются паразитными параметрами, зависящими от конструкции, частоты и уровня сигнала Сложность электрических преобразований, выполняемых этими компонентами, колеблется в широких пределах. Каждый из элементов с известной степенью приближения можно отразить своей эквивалентной схемой-моделью

Тема 1.4 Интегральные микросхемы, как одна из составляющих частей РЭА

Электрическое моделирование ИС может быть как расчетнотеоретическим, так и натурным (экспериментальным) [1.17] (последнее обычно дополняет первое). Расчетно-теоретическое моделирование в свою очередь подразделяется на аналитическое и машинное. В основе аналитического моделирования лежат известные аналитические преобразования, используемые в теории цепей [1.42—1.44]. При машинном моделировании на ЦВМ используются арифметические операции сравнения, перебора [1.19, 1.25, 1.26]. При расчетно-теоретическом моделировании в качестве исследуемого объекта применяются как принципиальная, так и эквивалентная схемы. При натурном моделировании используется только принципиальная схема.

Рис. 1.6. Классификация типов электрических моделей и моделирования ИС

Основным методом этого моделирования является метод граничных испытаний схемы [1.22, 1.45]. Классификация типов электрических моделей приведена на рис. 1.6.

В заключение остановимся на классификации используемых на практике элементов принципиальных электрических схем, приведенной на рис. 1.7. Эти элементы прежде всего характеризуются числом полюсов (входов и выходов

31

электрического тока). Существуют двухполюсные (резисторы, конденсаторы, диоды), трехполюсные (транзисторы, RC-структуры), четырѐхполюсные (трансформаторы, тиристоры) и в общем случае n-полюсные элементы. С ростом числа полюсов конструктивная сложность элемента и его возможности преобразования сигнала, как правило, существенно возрастают; одновременно увеличивается гибкость управления режимом работы. Элементы делятся на пассивные и активные. Пассивные элементы, обладающие положительным сопротивлением ( Ri 0 ), расходуют мощность

полезного сигнала, чаще всего рассеивая ее в виде тепловых потерь. Активные элементы усиливают мощность полезного сигнала, преобразуя энергию источников питания в энергию полезного сигнала. Знак и величина угла сдвига фаз между током и напряжением сигнала на каждом полюсе элемента определяют его импеданс. В общем случае он будет комплексным. При 0 2 импеданс будет носить индуктивный, при 0 2 —

емкостной, а при 0 — омический характер. При 0, 2, 2 двухполюсники вырождаются в резисторные, индуктивные и емкостные элементы соответственно.

Зависимость тока сигнала от его напряжения на каждом полюсе элемента может быть как линейной, так и нелинейной. Нелинейными зависимостями обычно обладают активные элементы. Наиболее часто встречаются нелинейности N- и S-вида.

Рис. 1.7. Классификация преобразовательных схемных элементов (компонентов) ИС.

По режиму работы элементы можно подразделить на аналоговые и ключевые (спусковые). Первые характеризуются сравнительно плавным изменением параметров во времени, вторые — скачкообразным (в идеале — мгновенным). Закономерности изменения параметров аналоговых элементов, во многом

32

определяющие форму и спектральный состав сигнала, существенно влияют на информационную часть последнего. Изменения параметров ключевых элементов, как правило, не влияют на формирование информационной части сигнала, которая определяется правилами кодирования Последний признак рассматриваемой классификации характеризует степень

пространственного распределения параметров элемента. С этой точки зрения элементы подразделяются на элементы с сосредоточенными параметрами и элементы с распределенными параметрами.

Основной задачей электрического моделирования ИС является оптимальный синтез ее принципиальной электрической схемы (модели). Для конструктора эта схема содержит информацию: о числе схемных элементов в ИС и их электрической взаимосвязи друг с другом; о типах этих элементов и их основных электрических параметрах и характеристиках; о допусках на эти параметры и характеристики. Процесс разработки принципиальной схемы, как и любой другой модели ИС, подразделяется на три этапа: структурный синтез схемы, анализ ее параметров и принятие решения о пригодности модели. На этапе структурного синтеза определяется электрическая схема, тип входящих в нее элементов, номинальные значения их параметров. Рассмотрим эту операцию более подробно. Прежде всего отметим, что синтез электрических схем (моделей) ИС отличается от синтеза электрических схем обычных узлов РЭА следующими особенностями:

1.Не все классические дискретные схемные элементы технически можно или экономически выгодно выполнять в виде ИС. К таким элементам относятся трансформаторы токов и напряжений, индуктивности, большие емкости, настроечные элементы.

2.Не все элементы, сформированные в ИС, имеют аналоги среди дискретных элементов, выпускаемых промышленностью. Так, например, нет дискретного аналога интегральной RC-структуры. Однако, если даже такие аналоги и имеются, то электрические характеристики и параметры интегральных и дискретных элементов обычно отличаются друг от друга. Так, например, интегральный диффузионный резистор, в отличие от дискретного резистора типа МЛТ, имеет большую паразитную распределенную емкость.

3.Электрические связи между элементами в ИС существенно «дополнены» паразитными связями через общую для них подложку. Поэтому принципиальная электрическая схема воспроизводит только важнейшие процессы и характеристики ИС, и то с определенной степенью приближения.

Этап структурного синтеза электрических принципиальных схем проектируемых PIC является сложным и ответственным процессом. Этот этап выполняется наиболее квалифицированными схемотехниками. В своей работе они используют информацию о ранее выполненных разработках подобного рода, технические условия, технологические ограничения со стороны планируемого завода-изготовителя, личный опыт и инженерную интуицию. Структура электрической схемы ИС во многом определяется характером выполняемых ею преобразований сигналов. Аналоговое и импульсные схемы выполняют, как правило, точные электрические преобразования, в силу чего

33

их характеристики чувствительны к вариации параметров элементов, к реакции на паразитную обратную связь и флюктуациям параметров входного сигнала. При проектировании и изготовлении этих схем требуется большая точность.

Логические ИС. Дискретные логические схемы характеризуются быстродействием (величиной задержки распространения сигнала), нагрузочной способностью (коэффициентом разветвления выходных каналов), потребляемой мощностью. Эти схемы могут быть выполнены как на ЭРЭ биполярных и полевых транзисторах, так и на УФЭ магнитных, оптоэлектронных, криогенных и других устройствах. Схемы на биполярных транзисторах подразделяются на следующие типы: диодно-транзисторные логические (ДТЛ), транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ), транзисторные логические с непосредственными (или резистивными, или резистивно-емкостными) связями (ТЛНС), логические схемы переключения тока (ЛСПТ), триггеры. Примеры указанных типов схем приведены соответственно на рис. 1.8 – 1.12. Эти схемы (за исключением триггера) выполняют логическую операцию (преобразование) И–HE/ИЛИ–НЕ. Их основные параметры сведены в табл. 1.5.

Т а б л и ц а 1 . 5

Широкое распространение получили также логические схемы на МДП

34

(МОП)-транзисторах [1.52]. На рис. 1.13 и 1.14 приведены схемы совпадений типа НЕ—И и триггера. Двухвходовые схемы совпадений (НЕ—И) с параллельным и последовательным соединением МОП-транзисторов работают следующим образом. В схеме с параллельным соединением (рис. 1.1.3, а) транзисторы в исходном состоянии открыты, а в схеме с последовательным соединением (рис. 1.13,6) — закрыты. Только одновременная подача входных сигналов на затворы приборов приводит к срабатыванию схемы. Наряду с операцией II схема инвертирует сигнал. Задержка распространения сигнала в схеме примерно 170—400 нсек. Быстродействие схемы с параллельным включением транзисторов выше. Потребляемая мощность порядка 4...15 мВт. Непосредственные связи в схеме триггера обеспечивают максимальное быстродействие (задержка распространения сигнала 10...80 нсек). Потребляемая мощность схемы 5...20

мВт.

Аналоговые и импульсные ИС. Эти схемы стали разрабатываться промышленностью в 1964 г. В настоящее время разработаны серии усилителей, генераторов, модуляторов, фильтров, стабилизаторов напряжения и т. п. В настоящее время существует тенденция построить унифицированную серию ИС по каждому основному типу преобразования сигнала (типу функции). Успехи в этом направлении пока ощутимы в области линейных усилителей, хотя имеется множество попыток разработать ИС, реализующие другие функции. Среди класса усилителей хорошо освоены в интегральном исполнении так называемые операционные (решающие) усилители (ОУ), позволяющие выполнять в ЭВМ операции сложения, вычитания, интегрирования, дифференцирования, изменения знака и т. д., а при использовании ОУ в аналоговых или импульсных устройствах — функции усиления, сравнения, детектирования и фильтрации.

35

Рис. 1.10. ТЛНС-схема с непосредственными связями

Рис. 1.11. ЛСПТ-схема.

Рис. 1.12. Схема триггера на биполярных транзисторах.

36

Рис. 1.13. Рис. 1.14.

Рис. 1.13. Двухвходовая схема совпадения НЕ — И с параллельным (а) и последовательным соединением МДП-транзисторов (б).

Рис. 1.14. Схема триггера с непосредственными связями на МДП-транзистора.х.

Электрическая принципиальная схема одного из типовых операционных усилителей приведена на рис. 1.15 [1.54]. Она содержит входной и выходной каскады, а также каскад обратной связи; схема собрала на 4 транзисторах p—n—p и n—p—n-типа и 15 резисторах. Как и дифференциальный усилитель, операционный усилитель имеет два высокоомных симметричных входа, на которые подается разность напряжений сигналов, и низкоомный несимметричный выход. ОУ обладает высоким коэффициентом усиления по току и сильной отрицательной обратной связью. Сигнал по первому входу инвертируется на выходе, а по второму входу не инвертируется. В целях исключения самовозбуждения на высоких частотах к клеммам 4,5 и 6 подключаются внешние развязывающие RC-фильтры Диапазон рабочих температур усилителя —55°...+125°С. Коэффициент усиления 100, входное предельное напряжение Uвх ≈ 5 мв, входное сопротивление Rвх = 900 ком, температурный дрейф нуля примерно

10 мкв/°C

Из точных аналоговых преобразований сигнала, которые можно выполнять с помощью операционного усилителя, в настоящее время достаточно хорошо осуществляется фильтрация сигнала [1.52, 1.53]. Структурная схема так называемых активных фильтров приведена на рис. 1.16. Она содержит частотно-избирательные элементы в цепи обратной связи операционного усилителя и перед каждым из его входов. В качестве этих элементов можно использовать емкости и индуктивности, но лучше всего применять RC-структуры. Путем подбора параметров этих структур можно реализовать почти любую функцию передачи, т. е. построить фильтр практически с любой характеристикой.

Рис 1.15. Электрическая принципиальная схема операционного усилителя в интегральном исполнении:

37

1 — инвертирующий вход; 2 — неинвертирующий вход; 3— выход; 4, 5, б — выводы подключения внешних цепей.

печатного монтажа ИС и с помощью электрического управления.

Сущность первого метода проиллюстрируем на примере логических монолитных ИС марки ХС-157, выпускаемой фирмой «Моторола» [1.55].

В кремниевой подложке сформированы 12 одинаковых ДТЛ, принципиальная схема которых приведена на рис. 1.17. ДТЛ-схема выполняет операцию НЕИЛИ. В каждой ДТЛ-схеме отсутствуют соединения диодов с выходными нагрузочными резисторами. Все 12 схем электрически изолированы друг от друга. Все межэлементные соединения, указанные на рис. 1.17, выполняются фирмой-изготовителем ИС. Они формируются в виде однослойного печатного монтажа. Сверху наносится изоляционная маска из стекла или SiO2 таким образом, чтобы через ее «окна» были открыты контактные площадки

38

ДТЛ-схем. Второй слой межэлементных соединений проектирует и наносит фирма-потребитель ИС.

Сущность второго метода сводится к переключению отдельных участков схемы с помощью электронных ключей. Внешние выводы

Рис. 1.17. Не полностью «собранная» логическая схема.

ключей всегда находится под управляющим потенциалом. Этот метод еще не доведен до промышленного применения. Проиллюстрируем его на примере схемы детектора уровня, изображенной на рис. 1.18, [1.56].

В схеме предусмотрены четыре p—n—p—n-переключателя, подключающих или отключающих Основные элементы и участки схемы. Сигналы на управляющие электроды переключателей подаются от внешних цепей. При включении только переключателя Кл1 схема работает следующим образом. Положительный входной сигнал вместе с опорным напряжением, снимаемым с делителя П1, подается на затвор полевого транзистора 77. При достижении потенциала насыщения полевой транзистор открывается и включает в работу обычный биполярный транзистор Т2, который в свою очередь открывает диод Д1. В результате на вход схемы через цепь о. с. подается небольшой по величине синфазный сигнал. Величину этого сигнала (коэффициент обратной связи) и запаздывание схемы можно регулировать, изменяя сопротивление цепи обратной связи, в частности R2. Выбирая это сопротивление достаточно большим, мы устанавливаем режим работы детектора уровня. Транзистор ТЗ согласует схему с нагрузкой. При включении только переключателя КлЗ (вместо цепочки R2, R3, Д1 включается R1) схема работает как бистабильный мультивибратор, запускаемый знакопеременной последовательностью импульсов. При включении только переключателя Кл2 (вместо R1 включается

39

С1) и подаче на вход стробирующих сигналов схема работает как генератор стробов. При одновременном включении Кл2 и Kл4 (вход заземляется), а также при определенном подборе опорного напряжения Uоп схема работает как мультивибратор.

На этапе анализа параметров электрическая схема — модель исследуется как аналитически, так и экспериментально. В процессе анализа уточняются ее внешние параметры и характеристики и определяются количественные зависимости изменений этих параметров и характеристик от вариации параметров элементов схемы*. Анализ обычно проводится методами граничных испытаний [1.22, 1.45], частичных испытаний, наихудшего случая [1.47], математического моделирования па ЭВМ [1.48, 1.49] и другими

методами.

Рис. 1.18. Схема с перестраиваемой структурой.

_____________

*Значения параметров элементов определяются многими факторами, в том числе: технологическим разбросом при изготовлении ИС, влиянием внешней среды (в первую очередь температуры) и старением материалов. Величинами, знаком и вероятностными функциями их распределения обычно задаются, исходя из опытных данных.

Особенности экспериментального моделирования. Прежде всего вызывает затруднение практическая ограниченность вариации параметров схемных элементов. Если резисторы, емкости и индуктивности, параметры которых должны изменяться в заданном диапазоне величин, можно отразить в схеме соответственно потенциометрами, конденсаторами переменной емкости и вариометрами, то гипотетический транзистор с переменными параметрами не имеет практического аналога. Поэтому в процессе эксперимента одни транзисторы (а также другие элементы с нерегулируемыми параметрами) постоянно заменяются в схеме на другие, параметры которых отличаются нужным образом от первых. Это обстоятельство снижает гибкость эксперимента и увеличивает его трудоемкость.

40