4.1. Принципы схемотехники аналоговых интегральных микросхем (АИС)

Эти принципы отражают специфику технологии группового производства АИС и тенденцию роста интеграции их элементов.

Принцип взаимного согласования цепей и структур.  Этот принцип заключается в достижении пропорциональности или равенства электрических параметров цепей и структур в широком диапазоне температур, питающих напряжений, времени и других возмущающих воздействий. Идентичность параметров обусловлена близким расположением топологических элементов ИС на подложке кристалла при изготовлении их в едином технологическом процессе из однородного исходного материала. Применение принципа взаимного согласования позволяет создать высокоточные структуры с параметрами, не реализуемыми в традиционной дискретной транзисторной схемотехнике. К таким структурам относятся прежде всего, дифференциальные каскады, а также эталоны тока и напряжения.

Принцип схемотехнической избыточности. Заключается в усложнении схемотехники АИС для улучшения их качества, минимизации площади кристалла и повышения технологичности. Включает следующие четыре основных положения.

1. В АИС избегают применения конденсаторов, так как они занимают большую площадь подложки. Для согласования уровней каскадов и стабилизации их режимов используется схемотехника структур с непосредственными связями, более сложная, но более технологичная.

2. Использование многотранзисторных структур, обладающих большой избыточностью усиления. Это позволяет более точно реализовать идеальные аналоговые функции.

3. Широкое применении обратных связей для стабилизации точностных и эксплуатационных характеристик АИС.

4. Использование компонентов и элементов АИС в существенно недогруженном режиме, что повышает надежность АИС.

4.1.2. Аналоговые функции и эталоны

Функциональные узлы АИС строятся на основе так называемых основных аналоговых функций (ОАФ) и эталонов (АЭ). ОАФ и АЭ реализуются в виде подсхем АИС и цифроаналоговых ИС (ЦАИС). Композиции ОАФ и АЭ образуют более сложные схемы, реализуемые в виде специальных АФ (САФ).

Макромодель – математическое описание ОАФ и АЭ. Существует четыре уровня макромоделей, описание которых изменяется от полностью идеального до неидеального, то есть учитывающего нелинейность характеристик реальных радиокомпонентов.

Библиотека макромоделей подсхем – множество макромоделей, имеющихся в распоряжении разработчика. Структурируется в виде базы данных ЭВМ. Наличие базы данных создает основу машинного анализа композиций макромоделей, сокращает объем натурного экспериментального макетирования.

Функционально полный набор аналоговых операций, применяемых при обработке аналоговых сигналов, образует пять ОАФ и два АЭ:

а) АФ усиления; б) АФ сравнения; в) АФ ограничения; г) АФ перемножения; д) АФ частотной фильтрации; е) АЭ тока; ж) АЭ напряжения.

ОАФ реализуются в виде универсальных АИС.

 

4.1.2.1. ОАФ усиления

 Представляет собой увеличение напряжения или тока точно в К раз в неограниченной полосе частот без нелинейных искажений сигнала. Микросхемы обозначаются символом ДУ. ОАФ усиления реализуют с помощью трех видов АИС:

- операционные усилители (ОУ);

- широкополосные усилители видеочастот;

- полосовые усилители радиотехнического диапазона частот.

Наиболее распространена реализация в виде ОУ. Обозначение ОУ на структурных схемах показано на рис. 4.1.

Упрощенное УГО (рис. 4.1, а), на котором показаны два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и выход, обычно используются для схем, объясняющих принцип действия устройства. Для схем, предназначенных для проектирования функциональных узлов первого уровня (печатных плат), необходимо показать все выводы микросхемы ОУ и их подключение. Поэтому используются УГО, содержащие дополнительные поля с одной или с обеих сторон от основного поля, в которых указываются метки, характеризующие функции вывода (рис. 4.1, б). На этом рисунке:

4–  инвертирующий вход «W» ОУ;

5 – неинвертирующий вход ОУ;

10– выход «m» ОУ;

6, 11– выводы для подключения   источников -Uп и +Uп;

3, 12 – выводы для подключения цепей внешней частотной коррекции ОУ (частотная коррекция должна быть подключена в любой схеме на основе ОУ; может быть не показана на принципиальной схеме).

Различают два вида сигналов, подаваемых на вход ДУ.

Подача дифференциального сигнала. В этом случае на вход ОУ подаются два равных и противоположных по знаку напряжений:

U1=-Uвх; U2=Uвх.

Разность этих напряжений U2-U1=UD называется дифференциальным сигналом. Напряжение на выходе ОУ без обратной связи рассчитывается по формуле

,                                       (4.1)

где К=105…107 – полный коэффициент усиления ОУ,

 - дифференциальный сигнал на входе, - виртуальная разность входных напряжений.

Подаче синфазного сигнала соответствует объединение входов ОУ, то есть U1=U2=Uвх. В этом случае выходное напряжение определяется соотношением

                      .                               (4.2)

Равенство выходного напряжения нулю называется подавлением синфазного сигнала.

Таким образом, наличие дифференциального входа в ОУ приводит к существенной разнице в прохождении синфазной и дифференциальной составляющих входного реального сигнала.

Обычно ОУ используют с включенной цепью отрицательной обратной связи (ООС). Схема инвертирующего включения ОУ с цепью ООС показана на рис. 4.2, а.

 Коэффициент усиления схемы с инвертирующим включением рассчитывается по формуле

.                                      (4.3)

Схема неинвертирующего включения ОУ с цепью ООС показана на рис. 4.2, б.

 Коэффициент усиления схемы с неинвертирующим включением рассчитывается по формуле

.                                         (4.4)

4.1.2.2. ОАФ сравнения

 Это функция, которая позволяет сопоставить величины входных напряжений U1 и U2 c некоторой точностью, А.  ОАФ сравнения реализуют ИС ОУ и аналоговые компараторы напряжения, Эти микросхемы обозначаются символом СА. Обозначения компараторов на структурных схемах и их УГО показаны на рис. 4.3, а, б. Подобно ОУ компаратор имеет два дифференциальных входа U1 и Uп. Принцип работы компаратора описывается уравнениями:

                                  (4.5)

где  - булевы значения  и , которые соответствуют логическим уровням используемых цифровых цепей (ТТЛ, ЭСЛ и др.).

В реальных компараторах изменение входного напряжения происходит в диапазоне  U1±Δ/2, где Δ – погрешность установки величины U1.

Компараторы применяют в импульсной технике для формирования сигналов нужной формы и длительности и в цифровой технике для аналого-цифровых преобразований.

4.1.2.3. ОАФ ограничения

 Это функция, которая преобразует зависимость Uвых=f(U1) в функцию, состоящую из трёх участков (рис. 4.4, а).

                      (4.6)

Обозначение ОАФ ограничения на структурных схемах показано на рис. 4,4, б.

Для реализации  ОАФ ограничения совместно с линейными аналоговыми цепями включают нелинейные радиокомпоненты (диоды, стабилизаторы, транзисторы).

4.1.2.4. ОАФ перемножения

 Это функция, которая определяет результат умножения одной аналоговой величины U на другую аналоговую величину V:

Uвых=k·U·V,                                             (4.7)

где k – масштабный коэффициент.

Микросхемы, выполняющие функцию перемножения, обозначаются символом ПС или ПЕ. Обозначение ОАФ ограничения на структурных схемах и условное графическое обозначение в электрических принципиальных схемах показаны на рис. 4,5, а, б.

 

В радиотехнике ОАФ перемножения реализует следующие преобразования:

А) перемножение частот;

Б) деление частот;

В) модуляция частоты;

Г) демодуляция частот;

Д) гетеродинирование.

В измерительной технике с помощью ОАФ перемножения осуществляют калибровку и масштабирование сигналов.

4.1.2.5. ОАФ частотной фильтрации

 Эта функция реализует выделение требуемого диапазона частот из полного спектра частот, подвергаемого преобразованию. Реализуется с помощью устройств, называемых фильтрами. Различают фильтры нижних частот (обозначаются ФН), фильтры верхних частот (ФВ), полосно-пропускающие фильтры (ФЕ) и режекторные (заграждающие) фильтры (ФР).

Обозначения ОАФ фильтрации на структурных схемах показаны на рис. 4.6.

ОАФ фильтрации реализуется с помощью активных фильтров, представляющих RC цепи, дополненные преобразователями полного сопротивления на ОУ.

4.1.2.6. Аналоговые эталоны (АЭ)

 Это идеализированные элементы электрической цепи, к которым относятся следующие:

А) источники тока и ЭДС;

Б) наборы резисторных матриц с согласованными номинальными значениями сопротивления;

В) автогенераторы со стабильной частотой колебаний