Схемотехника / Аналог / Аналоговая схемотехника
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
А.А. Миндеева
Элементная база аналоговых схем
Учебное пособие
Утверждено редакционно-издательским советом университета
Москва 2012
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
УДК 621.382(075.8) М57
Рецензенты: док. техн. наук Ю.Ф. Адамов; канд. техн. наук Ю.М. Кобзев
Миндеева А.А.
М57 Элементная база аналоговых схем: учеб. пособие. - М.: МИЭТ, 2012. - 184 с.: ил.
ISBN 978-5-7256-0702-4
Рассмотрены основные схемотехнические решения базовых аналоговых функциональных блоков. Показаны принципы построения эквивалентных малосигнальных схем, приведены методы расчета параметров элементов, основные характеристики аналоговых блоков и методики определения основных параметров, характеризующих неидеальность реальных схем.
Предназначено для студентов IV и V курса факультета ЭКТ, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника» и «Информатика и вычислительная техника».
ISBN 978-5-7256-0702-4 |
ã МИЭТ, 2012 |
2
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
|
Содержание |
|
Введение ............................................................................................... |
6 |
|
1. |
Особенности аналоговых интегральных схем .......................... |
8 |
|
1.1. Особенности проектирования АИС.......................................... |
8 |
|
1.2. Причины ошибок преобразования АИС .................................. |
9 |
|
1.3. Области применения АИС ........................................................ |
9 |
|
1.4. Классификация АИС по функциональному назначению....... |
10 |
2. |
Модели элементов аналоговых интегральных схем................ |
11 |
|
2.1. Дифференциальные проводимости биполярного транзистора |
13 |
2.1.1.Дифференциальная прямая передаточная проводимость
2.1.2.Дифференциальная входная проводимость
2.1.3.Дифференциальная выходная проводимость
2.1.4.Дифференциальная проводимость коллектора при подключении полных сопротивлений ZЭ и ZБ
2.2. Малосигнальные эквивалентные схемы биполярного транзистора |
19 |
2.2.1.Малосигнальная эквивалентная схема при включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ)
2.2.2.Малосигнальная эквивалентная схема при включении транзистора с общей базой (ОБ)
2.2.3.Малосигнальная эквивалентная схема при включении транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель)
2.3. Дифференциальные проводимости полевого транзистора .... |
24 |
2.3.1.Дифференциальная прямая передаточная проводимость полевого транзистора
2.3.2.Дифференциальная выходная проводимость
2.3.3.Влияние сопротивления в истоке на дифференциальную выходную проводимость транзистора
2.4. Малосигнальные эквивалентные схемы полевого транзистора |
27 |
2.4.1.Включение полевого n-МОП-транзистора с общим истоком (ОИ)
2.4.2.Включение транзистора с общим затвором
2.4.3.Включение транзистора с общим стоком или истоковый повторитель
3. Источники постоянного тока ....................................................... |
32 |
3.1. Основные параметры................................................................. |
32 |
3.2. Реализация источников постоянного тока на биполярных транзисторах |
33 |
3.2.1. Обычный источник постоянного тока |
|
3.2.2. Токовые зеркала |
|
3.3. Источники постоянного тока на МДП-транзисторах ............. |
42 |
3.3.1. Обычный источник тока |
|
3.3.2. Токовые зеркала на МДП-транзисторах |
|
3.4. Источники тока на полевом транзисторе со встроенным каналом |
49 |
3.4.1. Простой источник тока |
|
3.4.2. Однонаправленный каскодный источник тока |
|
3.4.3. Двунаправленный каскодный источник тока 3.4.4. Улучшенный двунаправленный каскодный источник тока
3
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
4. Простейшие реализации источников опорного напряжения |
53 |
4.1. Простейшие источники опорного напряжения ....................... |
54 |
4.1.1. ИОН, реализованный на резистивном делителе |
|
4.1.2. Реализация ИОН на диоде |
|
4.2. Стабилизаторы напряжения...................................................... |
57 |
4.3. Источник напряжения, использующий UБЭ в качестве опорного |
60 |
4.4. Источник опорного напряжения, не зависящий от температуры |
61 |
4.5. Источники опорного напряжения, определяемый |
|
шириной запрещенной зоны...................................................... |
63 |
4.6. Источники напряжения на МОП-транзисторах ...................... |
66 |
5. Усилительные каскады. Разновидности. Основные параметры |
71 |
5.1. Усилительные каскады на биполярном транзисторе.............. |
71 |
5.1.1. Усилительный каскад с резистивной нагрузкой |
|
5.1.2. Усилительный каскад с активной нагрузкой |
|
5.1.3. Усилительный каскад с эмиттерным повторителем (двухкаскадный) |
|
5.1.4. Усилительный каскад на составном транзисторе |
|
5.2. Усилительные каскады на полевых транзисторах с затвором Шоттки |
75 |
5.2.1. Усилительный каскад на ПТШ с резистивной нагрузкой |
|
5.2.2. Усилительный каскад на ПТШ с активной нагрузкой . |
|
5.2.3. Усилительный каскад на ПТШ с комбинированной нагрузкой |
|
5.2.4. Усилительный каскад на ПТШ с каскодным включением |
|
5.3. Усилительные каскады на МОП-транзисторах....................... |
78 |
6. Дифференциальный усилитель ................................................... |
81 |
6.1. Дифференциальный усилитель на биполярном |
|
транзисторе. Передаточная характеристика............................. |
81 |
6.2. Расчет дифференциальных передаточных проводимостей дифференциального |
|
усилителя ........................................................................................... |
84 |
6.3. Расчет дифференциальных входных проводимостей по дифференциальному и |
|
синфазному сигналу.......................................................................... |
86 |
6.3.1. Входная проводимость дифференциального |
|
каскада по дифференциальному сигналу |
|
6.3.2. Входные проводимости дифференциального |
|
каскада по синфазному сигналу |
|
6.4. Расчет коэффициента усиления дифференциального усилителя |
87 |
6.5.Дифференциальный усилитель. Теорема биссекции..............
6.6.Причины, вызывающие напряжение смещения дифференциального усилителя на
биполярных транзисторах.......................................................... |
90 |
6.6.1. Влияние коллекторного напряжения |
|
на балансировку дифференциального усилителя |
|
6.6.2. Температурный дрейф напряжения смещения |
|
6.7. Дифференциальный усилитель с активной нагрузкой ........... |
92 |
6.8. Дифференциальный усилитель со вторым каскадом.............. |
95 |
6.9. Дифференциальный усилитель на составных транзисторах.. |
97 |
6.10. Дифференциальные усилители на МОП-транзисторах........ |
98 |
6.11. Напряжение смещения в дифференциальных усилителях на МОП-транзисторах |
100 |
6.12. Дифференциальный усилитель на МОП-транзисторах с активной нагрузкой |
100 |
6.13. Дифференциальный усилитель с р-МОП-нагрузкой............ |
100 |
6.14. Схема дифференциального усилителя с инжекцией тока на p-МОП-транзисторе |
104 |
6.15. Дифференциальный каскодный усилитель............................ |
104 |
6.16. Дифференциальный свернутый каскодный усилитель ........ |
105 |
4
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
6.17. Дифференциальный усилитель на р-МОП-транзисторах .... |
106 |
6.18. Дифференциальный усилитель на полевом транзисторе с затвором Шоттки |
106 |
6.19. Напряжение смещения полевого транзистора с затвором Шоттки и его |
|
температурный дрейф....................................................................... |
109 |
7. Операционный усилитель............................................................. |
110 |
7.1. Структура операционного усилителя....................................... |
110 |
7.2. Параметры операционного усилителя ..................................... |
112 |
7.3. Включение операционного усилителя ..................................... |
113 |
7.4. Преобразование сопротивления операционного |
|
усилителя, включенного в режиме повторителя...................... |
116 |
7.5.Операционный усилитель на биполярных транзисторах........ |
117 |
7.5.1. Электрическая схема операционного усилителя |
|
7.5.2. Расчет коэффициента усиления операционного усилителя |
|
7.5.3. Входные и выходное сопротивления операционного усилителя |
|
7.6. Операционный усилитель на МОП-транзисторах .................. |
121 |
7.7. Амплитудно-частотная характеристика операционного |
|
усилителя. Определение частоты единичного усиления ........ |
123 |
7.8. Устойчивость операционного усилителя и коррекция частотной характеристики |
126 |
7.9. Определение частоты f180°.......................................................... |
128 |
7.10. Определение запаса по фазе.................................................... |
130 |
8. Компараторы напряжения ........................................................... |
131 |
8.1. Определение параметров........................................................... |
132 |
8.2. Компаратор с положительной обратной связью ..................... |
133 |
8.3. Электрическая схема компаратора на биполярных транзисторах |
135 |
8.4. Компаратор напряжения на переключаемом конденсаторе... |
137 |
8.5. Компараторы напряжения на МОП-транзисторах.................. |
140 |
9. Преобразователи данных .............................................................. |
141 |
9.1. Основные термины АЦП и ЦАП .............................................. |
142 |
9.2. Основные параметры преобразователей.................................. |
143 |
9.3. Погрешности преобразователей данных.................................. |
143 |
9.4. N-разрядный ЦАП...................................................................... |
145 |
9.4.1. N-разрядный декодирующий ЦАП |
|
9.4.2. ЦАП на резистивной лестничной цепи R-2R |
|
9.5. Аналого-цифровой преобразователь........................................ |
148 |
9.5.1. Параллельный АЦП |
|
Литература........................................................................................... |
150 |
5
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Введение
Проектирование современных интегральных систем на кристалле предполагает обработку смешанных сигналов (цифровых и аналоговых) и использование различных соответствующих функциональных блоков. Как правило, первоначальная информация, отражающая малейшие изменения окружающего мира, аналогового типа. Поэтому при
проектировании электронных устройств для обработки и передачи полученной информации необходимо использовать аналоговые функциональные блоки. Предлагаемое учебное пособие посвящено рассмотрению принципов построения, методов
проектирования и параметрической оптимизации основных аналоговых функциональных схем.
Впервой главе рассмотрены особенности АИС и основные причины ошибок преобразования аналоговых сигналов, а также принципы их проектирования и классификация по функциональному назначению.
Вторая глава посвящена определению дифференциальных проводимостей биполярных и полевых интегральных транзисторов, построению эквивалентных малосигнальных моделей и расчету параметров.
Третья глава посвящена принципам реализации источников постоянного тока и определения параметров, а также методикам их расчета и методам улучшения.
Вчетвертой главе рассматриваются простейшие реализации источников опорного напряжения, недостатки и способы их устранения.
Впятой главе приведены одиночные усилительные каскады, разновидности их реализации и методика определения основных параметров.
Вшестой главе рассмотрены дифференциальные усилители, приведен расчет дифференциальных проводимостей по дифференциальному и синфазному сигналам, коэффициента усиления и других параметров. Рассмотрены причины, вызывающие напряжение смещения в ДУ и влияние на него дестабилизирующих факторов. Приведены различные варианты реализации ДУ.
Вседьмой главе рассмотрен операционный усилитель, его структурные и схемотехнические решения. Приведены способы включения ОУ и определение его основных параметров, а также разбираются методы определения и улучшения основных параметров (устойчивость и запас по фазе).
Ввосьмой главе рассматриваются компараторы напряжения, реализующие функцию
сравнения аналогового напряжения с опорным и различные варианты реализации и использования.
6
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
В девятой главе рассмотрены преобразователи сигналов: цифро-аналоговые и аналого-цифровые, которые широко используются в системах со смешанными сигналами передачи информации.
Благодарна всем преподавателям, принимавшим участие в разработке этого курса: Суэтинову В.И., Тимошенкову В.П., Лосеву В.Н. и Волобуеву П.С. Признательна Адамову Ю.Ф. и Кобзеву Ю.М. за полезные замечания и рецензирование данного пособия.
7
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
1. Особенности аналоговых интегральных схем
Интегральные схемы (ИС) по способу обработки сигналов подразделяются на два класса: цифровые - сигналы которых представляются двумя дискретными значениями и аналоговые - сигналы которых представляются непрерывными значениями.
Аналоговые интегральные схемы (АИС) предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.
Каждому реальному конкретному значению физической величины на входе АИС соответствует однозначное определенное значение какого-либо параметра (амплитуды, частоты, фазы и т.д.) электрического напряжения или тока. Электрический эквивалент полностью передает состояние реальной физической величины. В большинстве случаев
наблюдаемое и анализируемое реальное событие фиксируется датчиком и преобразуется в электрический эквивалент.
Преимущества АИС заключаются в теоретически максимально-допустимой точности и быстродействии обработки информации, а также в простоте реализуемого преобразования.
Недостатками преобразования сигналов АИС являются:
-низкая помехоустойчивость сигналов, определяемая диапазоном линейного преобразования;
-нестабильность параметров, обусловленная зависимостью от внешних дестабилизирующих воздействий (температуры, изменения напряжения питания, технологического разброса параметров элементов);
-искажения сигналов при передаче на значительные расстояния;
-трудность долговременного хранения результатов преобразования;
-низкая энергетическая эффективность.
1.1. Особенности проектирования АИС
При разработке АИС необходимо учитывать следующие особенности проектирования:
-максимальная универсальность и многофункциональность с возможностью перенастройки внешними сигналами или элементами;
-схемотехническая избыточность - применение схемотехнических приемов, позволяющих избежать использования элементов с большой площадью: конденсаторов и
8
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
высокоомных резисторов за счет усложнения схемотехники и применения большего числа активных элементов;
-минимизация набора разнотипных активных и пассивных элементов для уменьшения негативных факторов рассогласования однотипных элементов в результате изготовления и эксплуатации;
-схемотехническая компенсация неизбежного разброса параметров в результате влияния дестабилизирующих факторов: воспроизводимости технологических процессов, изменений температуры и напряжения питания в реализуемом диапазоне;
-использование охранных колец для разделения блоков, интегрированных на кристалле, в целях снижения перекрестных наводок по подложке;
-особые требования предъявляются к разводке глобальных шин (питания и земли) и
размещению цифровых и аналоговых блоков в схемах со смешанной обработкой сигналов
вцелях минимизации взаимного влияния;
-широкое применение обратной связи для стабилизации параметров схем;
-энергетическая оптимизация схемы по распределению мощности по кристаллу.
1.2. Причины ошибок преобразования АИС
Перечислим причины ошибок преобразования непрерывных сигналов аналоговыми схемами, которые необходимо учитывать при проектировании:
-конечное значение параметров элементов;
-частотные зависимости;
-температурные зависимости;
-дрейф параметров согласования элементов;
-влияние шумов;
-нестабильность источников питания.
1.3. Области применения АИС
Несмотря на широкое распространение дискретной обработки сигналов, аналоговая передача информации применяется в таких областях, как измерительная техника; связь; бытовая техника; медицинская техника; промышленная электроника; военная техника.
9
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
1.4. Классификация АИС по функциональному назначению
АИС можно классифицировать по функциональному назначению в соответствии с выполняемыми основными функциями.
1.Источники преобразования: - источники постоянного тока;
- источники опорного напряжения.
2.Усилители:
-усилительные каскады;
-дифференциальные усилители;
-операционные усилители;
-широкополосные усилители и т.д.
3.Компараторы напряжения - устройства сравнения аналоговых сигналов либо аналогового сигнала с заданным опорным напряжением.
4.Смесители - схемы, которые на выходе формируют произведение двух входных аналоговых сигналов.
5.Устройства выборки и хранения предназначены для запоминания мгновенного значения аналогового сигнала и хранения его в течение времени необходимого для дальнейшего преобразования.
6.Функциональные генераторы (генераторы, управляемые напряжением (ГУН), в которых частота выходного сигнала зависит от уровня входного напряжения).
7.Аналоговые ключи.
8.Преобразователи:
-аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
-цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).
10
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com