14 Аналоговые микроэлектронные структуры. Операционные усилители на интегральных микросхемах

8.1 Классификация аналоговых интегральных микросхем и элементы их схемотехники, взаимные компоненты, входные каскады

Построение аппаратуры на основе аналоговых интегральных микросхем (АИМС) основано на многоцелевом использовании ИМС в сочетании с различными внешними элементами. Например: на базе ОУПТ можно получить схемы сумматоров, вычитателей, умножителей, делителей, дифференциаторов, интеграторов, логарифматоров, антилогарифматоров и др.

Область применения линейных АИМС: аналоговая и цифровая схемотехника, измерительные приборы, блоки ЭВМ, блоки питания, устройства радиосвязи, систем телеметрии и пр.

Номенклатура АИМС [16]:

• усилители с одиночным каскадом, дифференциальным входным каскадом;

• многокаскадные усилители;

• операционные усилители;

• высокочастотные усилители;

• радиочастотные усилители;

• блоки питания (стабилизации).

АИМС бывают малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции.

МИС — усилители одиночные, многокаскадные, простейшие ОУ; число элементов на кристалле до 100.

СИС — элементы типа ЦАП, АЦП; количество элементов на кристалле до 10³.

БИС — процессор, элементы памяти; 10⁴ элементов на кристалле.

СБИС — мощные процессоры, большие объемы памяти; более 10⁵ элементов на кристалле.

Размеры кристалла от нескольких квадратных миллиметров до квадратных сантиметров.

Преимущества ИМС:

• существенно меньшие габариты и вес, потребляемая мощность, чем сборные на дискретных компонентах;

• более высокая вибро-, ударо- и радиационная стойкость;

• очень высокая надежность (надежность ИМС приравнивается к показателю надежности одного типового элемента);

• существенно меньшая стоимость при массовом производстве;

• высокая идентичность параметров элементов микросхем;

• высокая температурная стабильность микросхемы (одинаковый температурный режим и одинаковые характеристики основных элементов).

Классификация:

1. ОУ — многоцелевые структуры на базе которых строятся различные функциональные устройства (компоненты цифровых устройств и приборов).

2. Инструментальные АИМС — многоцелевые высокоточные устройства, предназначенные для выполнения точных преобразований электрических сигналов. Они могут включать в себя и аналоговые и цифровые элементы схемотехники. Для повышения стабильности аналоговых устройств они применяются с сильными обратными связями.

3. Радиочастотные АИМС — для преобразования и усиления сигналов радиотехнических устройств, цепей, сетей связи, работающих в диапазоне радиочастот .

4. Силовые АИМС — для применения в блоках питания и усилителях мощности (электронные стабилизаторы; мощные выходные каскады).

Компоненты АИМС, технологии изготовления

В каждом из рассмотренных классов можно выделить:

• универсальные ИС (схемы общего применения)

• специальные ИС (схемы частного применения)

ИС общего применения по технологии изготовления выполняются на общей ПП подложке, поэтому их называют ПП или монолитными. ИС высокой степени интеграции допускают несколько ПП подложек расположенных друг над другом. Монолитные ИС — универсальные и характеризуются относительно малой точностью параметров, поскольку в едином технологическом цикле невозможно производить корректировку или подгонку параметров, поэтому получают погрешность резисторов по этой технологии ±15% (стоимость такой ИС очень низка).

ИС частного применения — гибридно-пленочные ИС. При этой технологии возможно получение элементов с погрешностью ~1%. Основными элементами монолитных ИС являются транзисторы и резисторы, а основными компонентами гибридно-пленочных ИС являются резисторы и конденсаторы с высокой точностью номиналов R_н1 и C_н1 ≈1% и более широким диапазоном, чем в монолитных. Напыление резисторов выполняется с помощью металлов (нихрома), а не полупроводников, у которых ТКС больше. Транзисторы применяются как дискретные элементы.

Для полупроводниковой технологии основным элементом является транзистор на кремниевой основе n-p-n типа. Ориентировочное значение параметров:

Также выращиваются транзисторы с супербэта .

Для получения диодов используют транзисторы, при этом БЭ — замыкают, а БК переход используется как диод, его параметры:

Резисторы получают методом диффузии на базе основного полупроводника (кремния), чем тоньше напыление, тем больше сопротивление резистора. Номиналы резисторов:

с классом точности 15%.

Для получения конденсаторов используют p-n переход в запертом состоянии. В зависимости от величины запирающего напряжения можно получить ёмкости порядка .

Для гибридно-пленочной технологии базовыми элементами являются резисторы и конденсаторы. Резисторы более стабильны, имеют более низкий ТКС и более широкий диапазон номиналов.

, точность 3%;

, точность 3%.

В этой технологии транзисторы применяют дискретные, в безкорпусном исполнении.

Характерною особенностью интегральной схемотехники является наличие взаимных компонентов. При изготовлении ИС, характеристики элементов получаются довольно близкие и взаимосвязанные при изменении внешних условий. На рис. 8.1 представлена схема усилительного каскада, где R_к и R_э являются взаимными компонентами, поэтому при изменении внешних факторов коэффициент усиления изменяться практически не будет, .

Рисунок 9.1 — Усилительный каскад

На рис. 8.2 представлен типовой дифференциальный каскад ИС, где взаимными компонентами кроме резисторов являются ещё и транзисторы VT1 и VT2. Обладая близкими и идентичными характеристиками, они существенно уменьшают температурный дрейф и дрейф от нестабильности источников питания, упрощают балансировку каскада, а также обуславливают хорошее подавление синфазного сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) определяется выражением:

,

где — коэффициенты усиления для дифференциального и синфазного сигналов соответственно.

в идеальном случае равен нулю, в реальном — порядка единицы. Желательно иметь КОСС порядка [16].

Рисунок 9.2 — Схема дифференциального каскада

Дрейф усилителя в основном определяется входным каскадом: температурным дрейфом, временной нестабильностью элементов [17]. Дрейф дифференциального каскада на порядок меньше одиночного. Если выполнить дифференциальный усилитель в интегральном исполнении, то его дрейф получается на порядок–два меньше чем в дифференциальном с дискретными транзисторами, он также имеет больший коэффициент подавления синфазного сигнала. На входе ОУ, как правило, ставят дифференциальный усилитель, чтобы подавить наводки и усилить U_вх. Длина входных проводов к источникам сигналов должна быть как можно более короткой, с использованием экранирования.

Типовая схема дифференциального входного каскада в интегральном исполнении приведена на рис. 8.3. Транзистор VT3 работает в режиме источника тока, обладает большим внутренним сопротивлением и улучшает характеристики каскада. Применение элементов термокомпенсации (VD1, R1 и R2) позволяет существенно улучшить температурные характеристики каскада.

Входные токи, разностный входной ток и их температурные дрейфы.

Режим по постоянному току каскада (Рис. 8.6) рассчитан таким образом, что потенциалы баз (точки 1 и 2) по отношению к общей шине (точка 0) равны нулю что позволяет подключать непосредственно между входами (точки 1 и 2) и общей шиной источники входных сигналов E_вх. Причем E_вх равны по величине, но противофазны. Даже при равенстве внутренних сопротивлений входные токи (близки, но не равны), поэтому потенциалы точек 1 и 2 неодинаковы.

Следовательно,

где — разностный входной ток, определяемый асимметрией входных токов.

Если E_вх=0, то между базами имеет место напряжение , которое усиливается усилительным каскадом с коэффициентом усиления , что дополнительно напряжению смещения смещает «0» на выходе усилителя:

Рисунок 9.3 — Дифференциальный входной каскад, входные токи

Напряжение смещения, вызванное разностным входным током, аналогично рассмотренному ранее и действует параллельно с ним. Для уменьшения рекомендуется уменьшать входные токи, это приводит к уменьшению , и применять каскад в интегральном исполнении, обладающем большей симметрией и, значит, меньшим разностным током. Рекомендуют также применять источники входных сигналов с малыми Как правило, и соизмеримы, что требует учета обеих напряжений смещения.

Входные токи являются токами баз дифференциального входного каскада.

(8.3)

где соответствующего транзистора.