Глава 10 основы аналоговых интегральных схем

10.1. Усилительные каскады ис

10.1.1. Особенности аналоговых ис

Аналоговые ИС применяются для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся во времени в виде непрерыв­ной функции. Интегральным схемам вообще и аналоговым в частно­сти свойственны ряд отличительных особенностей, которые обусло­влены спецификой их технологии.

1. При разработке и проектировании аналоговых ИС прежде все­го стремятся обеспечить широкую универсальность и многофункци­ональность, чтобы снизить стоимость изделия и повысить эффек­тивность производства.

2. Следствием многофункциональности является функциональ­ная избыточность. Функциональная избыточность может быть ис­пользована для улучшения характеристик ИС, повышения их надеж­ности и т.п.

3. Стремление уменьшить число технологических операций и связанное с этим широкое использование транзисторных структур не только для усиления, но и для выполнения функций пассивных элементов. Число же пассивных элементов стремятся по возможно­сти уменьшить, заменяя их транзисторными структурами, поскольку технология у них общая.

4. Для увеличения процента выхода годных ИС, удовлетворяю­щих заданным требованиям, проектируемая ИС должна обладать низкой чувствительностью к разбросу параметров элементов.

5. Широкое применение обратных связей для ряда целей: кор­рекции характеристик, выполнения различных математических опе­раций и т.п.

6. В аналоговых ИС, как правило, применяются каскады с непо­средственной связью, так как использование конденсаторов для разделения каскадов по постоянному напряжению, во-первых, су­щественно ухудшает характеристики каскадов в области низких частот из-за сравнительно малых значений емкостей и, во-вторых, ус­ложняет технологию производства. Отказ от применения конденса­торов требует принятия мер по стабилизации режима по постоянно­му току и согласования по уровню постоянного потенциала отдель­ных каскадов между собой и отдельных ИС друг с другом.

Иногда особенности аналоговых ИС формулируют в виде двух основных принципов: взаимного согласования и схемотехничес­кой избыточности. Принцип взаимного согласования цепей за­ключается в такой их конструктивно-технологической реализа­ции, при которой требуемые электрические параметры оказыва­ются пропорциональными (в частном случае равными) друг другу в широком диапазоне эксплуатационных воздействий. Взаимное согласование схемотехнических структур осуществляется за счет близкого расположения соответствующих элементов на кристал­ле. При этом достигается идентичность (или строгая пропорцио­нальность) параметров в полном интервале эксплуатационных воздействий, так как исходные материалы и процессы технологи­ческой обработки для таких элементов практически одинаковы. Принцип схемотехнической избыточности заключается в усложнении схемы с целью улучшения ее качества, минимизации пло­щади кристалла и повышения технологичности. Поэтому в анало­говых ИС вместо конденсатора, занимающего большую площадь, используют более сложные схемотехнические структуры с непосредственными связями.

В настоящее время микроэлектронной промышленностью вы­пускаются импульсные и широкополосные усилители, усилители низкой, промежуточной и высокой частоты, избирательные усили­тели, операционные усилители и согласующие элементы, в качест­ве которых наиболее часто применяются эмиттерные и истоковые повторители.

Аналоговые ИС строятся на элементарных каскадах или много­каскадных секциях. К числу элементарных каскадов на биполярных транзисторах относятся каскады с общим эмиттером, общим кол­лектором и общей базой. При использовании полевых транзисто­ров им аналогичны каскады с общим истоком, общим стоком и об­щим затвором. Элементарные каскады являются усилителями мощности. Наряду с усилением мощности в них происходит также либо усиление напряжения, либо усиление тока, либо и то и другое одновременно.