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 числуэлементарных 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.10.1.2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером

Схема каскада показана на рис. 10.1. Переменный сигнал подводится от генератора, а усиленный сигналснимается с коллекторного сопротивленияR_к, т.е. между коллектором и зем­лей. Резистор R_r либо специально включается в цепь базы, либо представляет собой внутреннее сопротивление генератора сигна­ла. В цепь эмиттера включен резистор R_э для ослабления влияния изменения температуры (см. § 5.3.3), которое проявляется в сме­щении входных характеристик при заданном токе эмиттера на ве­личину мВ/°С.

Поясним роль резистора . Возрастание температуры при за­данном приводит к росту тока эмиттера на величину, т.е. уве­личению падения напряжения на резисторена. Это прира­щение по знаку таково, что оно уменьшает прямое напряжение, а следовательно, стремится уменьшить значение и вернуть его к исходному значению. Обычно этот эффект трактуется как действие отрицательной обратной связи, приводящей к компен­сации температурного изменения. В состоянии покоя, когда нет сигнала (= 0), режим работы БТ определяется напряжениямии.

На рис. 10.1 изображена схема с двумя источниками питания и, в которой положительный полюс источника заземлен. В этой схеме генератор сигнала может быть заземлен, что уменьшает уро­вень паразитных наводок (помехи). Возможно включение источника питанияпоследовательно с генератором сигнала либо между ни­жним выводом генератора и общей точкой схемы (землей), либо ме­жду верхним выводом генератора и базовым электродом транзисто­ра. В первом случае оказывается незаземленным генератор, а во втором – источник питания. В обоих случаях возрастает вероятность появления помех.

На рис. 10.2 показана эквивалентная малосигнальная схема для переменного сигнала низкой частоты (в схеме отсутствуют емкости). По сравнению с рис. 5.25 здесь добавлены генератор сигнала , резистор нагрузкии резисторв цепи эмиттера. С помощью этой схемы можно вычислить важнейшие параметры усилительного каскада: коэффициент усиления напряжения, входное и выходное сопротивления.

Коэффициент усиления по напряжению

(10.1)

С учетом принятых на схеме направлений токов

(10.2)

По закону Кирхгофа для входной цепи .

Так как [см. (5.17)], тоили. Следовательно,и

(10.3)

Подставив (10.2) и (10.3) в (10.1), получим

(10.4)

Так как , а требуемое значение, то (10.4) примет вид

(10.5)

Из формулы (10.5) следуют важные выводы. Первый вывод – ко­эффициент усиления определяется отношением , что ослаб­ляет влияние изменения температуры (ипри интегральной технологии изменяются пропорционально). Второй вывод – за температурную стабильность, обеспечиваемую применением, приходится расплачиваться потерей . Если, например, = 1 кОм, = 5 кОм, то = 5, т.е. оказывается низким.

Входное сопротивление определяется по эквивалентной схеме как

(10.6)

Входное сопротивление зависит не только от параметров эквива­лентной схемы, но и сопротивления нагрузки . Для упрощения вы­числений положим (холостой ход по переменному току). Оп­ределив токиз (10.3) и подставив его в (10.6), получим

(10.7)

Так как и, то

(10.8)

При = 1 кОм и = 100= 100 кОм. Таким образом, введение для температурной стабилизации одновременно сильно увеличи­вает входное сопротивление по сравнению с дифференциальным входным сопротивлением (5.45) (сотни ом, килоомы).

Выходное сопротивление каскада по определению

(10.9)

где – выходное напряжение при(холостой ход по пе­ременному току);– выходной ток при(короткое замыка­ние по переменному току).

Выходное сопротивление – сопротивление переменному току, которое следует измерять со стороны выходных зажимов в отсут­ствие входного сигнала (). Напряжение измерительного ге­нератора необходимо подводить к выходным зажимам каскада. Прина эквивалентной схеме генераторисключается и в выходной цепи остается резистор[см. (5.80)], а со­противленияиоказываются включенными парал­лельно. Поэтому выходное сопротивление

(10.10)

Следует заметить, что коллекторный резистор изготовлен в интегральном усилительном каскаде и параллельно ему может при­соединяться внешний резистор. В этом случае нагрузкой являет­ся параллельное соединение и, а под выходным сопротивле­нием следует понимать параллельное соединениеи. Но так как сопротивление велико (), то

(10.11)

т.е. определяется практически сопротивлением коллекторного рези­стора интегрального усилительного каскада.