Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Шпоры по ТТЭ - файл ГЛАВА 10.doc


Шпоры по ТТЭ
скачать (3670.4 kb.)

Доступные файлы (14):

ГЛАВА 10.doc3655kb.15.01.2005 00:00скачать
ГЛАВА 12.doc4472kb.15.01.2005 00:09скачать
ГЛАВА 14.doc1723kb.15.01.2005 00:31скачать
ГЛАВА 16.doc489kb.15.01.2005 00:52скачать
ГЛАВА 18.doc2195kb.15.01.2005 01:20скачать
ГЛАВА 1.doc41kb.13.01.2005 18:16скачать
ГЛАВА 20.doc492kb.15.01.2005 01:44скачать
ГЛАВА 2.doc718kb.13.01.2005 19:41скачать
ГЛАВА 3.doc7420kb.13.01.2005 22:41скачать
ГЛАВА 4.doc233kb.13.01.2005 23:04скачать
ГЛАВА 5 .doc6394kb.14.01.2005 14:44скачать
ГЛАВА 6.doc476kb.14.01.2005 14:59скачать
ГЛАВА 7.doc804kb.14.01.2005 23:05скачать
ГЛАВА 8.doc1338kb.14.01.2005 23:12скачать

содержание
Загрузка...

ГЛАВА 10.doc

  1   2   3   4   5
Реклама MarketGid:
Загрузка...

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.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 сигнал снимается с коллекторного сопротивления Rк, т.е. между коллектором и зем­лей. Резистор Rr либо специально включается в цепь базы, либо представляет собой внутреннее сопротивление генератора сигна­ла. В цепь эмиттера включен резистор Rэ 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 резисторе на . 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 напряжениями и .

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 питания последовательно 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 нагрузки и резистор в 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)], то или . 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 ( и при 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 ток из (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. При на эквивалентной схеме генератор исключается и в выходной цепи остается резистор [см. (5.80)], а со­противления и оказываются 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 соединение и . Но так как сопротивление велико (), то

(10.11)

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

^ 10.1.3. Усилительный каскад на МДП-транзисторе в схеме с общим истоком

Схема простейшего каскада на МДП-транзисторе со встроен­ным каналом n-типа показана на рис. 10.3. В этой схеме (как и на рис. 10.2) использованы два источника питания: и . Выбором значений напряжений и при заданном сопротивлении нагруз­ки в цепи стока устанавливается рабочая точка (точка покоя).



Упрощенная по сравнению с рис. 7.2,а эквивалентная схема на низ­ких частотах (не учитываются емкости) приведена на рис. 10.4. Она аналогична эквивалентной схеме электронных ламп.

Нетрудно показать, что коэффициент усиления по напряжению



или

(10.12)

где . При (10.12) примет вид

(10.13)

Предельное значение коэффициента усиления получается из (10.12) при (рис. 10.5):



Таким образом, коэффициент усиления тем выше, чем больше крутизна S.

Входное сопротивление каскада определяется сопротивлением затвор-исток , которое велико, особенно в МДП-транзисторах, у которых затвор изолированный. Выходное сопротивление равно дифференциальному сопротивлению МДП-транзистора .

Широкое распространение получил простейший усилительный каскад, у которого в качестве нагрузки основного МДП-транзистора используется другой (нагрузочный МДП-транзистор). На рис. 10.6 нагрузочным является МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа. В нагрузочном транзисторе используется пологий уча­сток выходной характеристики. Его сопротивление для переменного тока – это дифференциальное сопротивление (7.60) , где – крутизна транзистора . Подставив это значение в (10.13) и заменив S на S1 транзистора , получим

(10.14)

Для получения достаточно большого усиления необходимо, чтобы было значительно больше (). До­стигается это при одинаковой длине каналов обоих транзисторов увеличением ширины канала транзистора в 50...400 раз по сравнению с шириной канала транзистора . Однако при таком соотношении размеров коэффициент усиления составляет лишь 7...20, так как его значение равно корню квадратному из этого отношения.

Использование нагрузочного МДП-транзистора позволяет иск­лючить изготовление пассивного резистора с большим сопротив­лением, занимающим на кристалле большую площадь. Резисторы на основе нагрузочных транзисторов принято называть нелиней­ными из-за нелинейности ВАХ или динамическими. О построении ВАХ нагрузочного транзистора (нагрузочной линии для основ­ного транзистора ) будет сказано в § 11.2.2.10.1.4. Усилительный каскад насоставном биполярном транзисторе

В аналоговых ИС часто применяются составные транзисторы, построенные по схеме Дарлингтона или на комплементарных транзисторах.

Условное обозначение составного интегрального транзистора по схеме Дарлингтона показано на рис. 10.7, где Б, Э, К – выводы эквивалентного транзистора. В статическом режиме справедливо соотношение



где и – интегральные коэффициенты передачи тока и со­ставляющих транзисторов и . Сначала будем считать, что нагрузка отсутствует (). Тогда



Следовательно,



и коэффициент передачи состав­ного транзистора



Так как и , то

(10.15)

Таким образом, теоретически при = 100В = 104, т.е. выше, чем у супербета-транзистора (см. § 9.2.1). Однако этот резуль­тат сильно завышен, так как в со­ставном транзисторе при одинако­вых и невозможно получить равенство и . Ограниче­ние связано с тем, что у транзисто­ров и токи сильно отличают­ся (, так как ). Поэтому << (см. § 5.3.4) и прак­тически не превышает не­скольких тысяч.

Схема интегрального составного транзистора на комплементарных биполярных транзисторах (т.е. п-р-п и р-п-р) показана на рис. 10.8. На­правления результирующих токов , и соответствуют р-n-р-транзистору. Результирующий коэффи­циент передачи по току оказывается равным и практически совпадает со значением В в схе­ме Дарлингтона.
  1   2   3   4   5



Скачать файл (3670.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru