Цифровые интегральные микросхемы Микроэлектроника - (стр. 15 из 19)
9. АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
9.1 Общие сведения
Аналоговые микросхемы можно разделить на две группы. Первую составляют микросхемы универсального назначения: матрицы согласованных резисторов, диодов, транзисторов и т. д. Сюда также относятся интегральные операционные усилители (ОУ), появление которых является важнейшим достижением аналоговой микроэлектроники. Во вторую группу входят специализированные аналоговые микросхемы, выполняющие некоторые определенные функции, например, фильтрации, компрессию, перемножение аналоговых сигналов.
Работа любого аналогового устройства сопряжена с ошибками, источниками которых может быть технологический разброс параметров элементов, их температурный и временной дрейфы, шумы, наводки. Уменьшение погрешности работы аналоговых устройств – одна из главных задач их разработчиков. Высокая сложность решения этой проблемы вызвала отставание технологии аналоговых микросхем как самостоятельного направления микроэлектроники по сравнению технологиями цифровых микросхем. Серьезным препятствием явился ограниченный набор элементов полупроводниковых микросхем, в частности отсутствие индуктивных элементов и конденсаторов. Трудной оказалась задача разработки небольшого числа типовых структур, которые подобно ЛЭ в цифровых микросхемах могли бы стать основной для аналоговой микросхемотехники.
В настоящее время многие из указанных трудностей преодолены. Разработаны специальные схемотехнические приемы взаимной компенсации нестабильности параметров элементов электрических цепей, при которых точность работы аналогового устройства гарантируется идентичностью характеристик элементов. Особенностью схемотехники аналоговых микросхем является реализация принципа схемотехнической избыточности который несмотря на усложнение изделий, благодаря интегральной технологии, позволяет улучшить их качество.
9.2 Особенности микросхемотехники дифференциальных усилителей
Дифференциальный усилитель (ДУ) является основным узлом важнейшего элемента аналоговой интегральной электроники – операционного усилителя (ОУ). Он состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор. Выходным напряжением является разность коллекторных потенциалов, а входным – разность базовых потенциалов.
В общую эмиттерную цепь включен источник тока I0 (генератор тока). Он обеспечивает постоянство суммы Iэ1 + Iэ2 = I0 =constи стабильность рабочей точки токов Iэ0 и напряжений Uк0.
Принцип действия
В основу ДУ положена идеальная симметрия его плеч, т. е. идентичность параметров транзисторов Т1, Т2 и равенство сопротивлений Rк1, Rк2. При этом в отсутствии сигнала токи через транзисторы и коллекторные потенциалы будут одинаковы, а выходное напряжение будет равно нулю. Нулевое значение Uвых так же сохраняется при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах. Таким образом в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть сравнительно большим.
Подадим на базы транзисторов одинаковые по величине и совпадающие по фазе напряжения Uб1 = Uб2 (синфазные сигналы). Если источник тока I0 идеальный (т. е. Ri = ¥), то токи в обоих ветвях и коллекторные потенциалы останутся неизменными и выходное напряжение Uвых останется равным нулю. Если Ri¹¥, то появится приращение тока DI0, но оно распределится поровну между обеими ветвями ДУ и коллекторные потенциалы изменятся одинаково и сохранится Uвых = 0.
Если подать на базы напряжения равной величины, но противоположных знаков (Uб1 и Uб2 = – Uб1), т. е. дифференциальные сигналы, то их разность по определению будет входным сигналом ДУ:
Uвх = Uб1 – Uб2.
Вследствие этого приращения токов и коллекторных потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по величине, но разного знака. В результате появится выходное напряжение
Uвых = Uк1 – Uк2.
Следовательно идеальный ДУ реагирует только на дифференциальный или разностный сигнал, отсюда вытекает название этого типа усилителей.
Коэффициент усиления синфазного сигнала
В реальном ДУ, в котором оба плеча неидентичны, а источник тока имеет конечное сопротивление, наблюдается влияние синфазной составляющей входного сигнала на дифференциальную составляющую выходного сигнала. Следовательно при
Uвх с = Uвх1 = Uвх2
DUвых с = Uвых1 – Uвых2¹ 0.
Отношение
называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. Так как этот параметр характеризует степень неидеальности ДУ он должен быть минимизирован. Для случая синфазного сигнала схему ДУ можно представить как показано на рис. 68.
Рис. 68. Схема ДУ для случая синфазного входного сигнала
Коэффициент усиления такой схемы ориентировочно равен:
.Из приведенного выражения видно, что уменьшения Ас можно добиться увеличением Ri. Значительной величины Ri в случае пассивного резистора без существенного ухудшения других параметров схемы достичь невозможно.
Один из возможных вариантов источников тока.
На схеме UA– падение напряжения на части схемы находящейся выше точки А (рис. 69). У такой схемы большое лишь дифференциальное сопротивление
, тогда как статическое внутреннее сопротивление мало. Этой особенностью обладает выходная характеристика транзистора. Например, если 
составляет (1…5) × 103 Ом, то 
составит (1…5) × 105 Ом. За счет последовательной обратной связи (Rэ) это сопротивление может быть увеличено на несколько порядков.Коэффициент усиления дифференциального сигнала
Если Uвх1 – Uвх2 = Uвх д¹ 0, то происходит перераспределение токов между плечами ДУ, но сумма токов остается постоянной. Усиление ДУ пропорционально крутизне его вольт-амперной характеристики и сопротивлению нагрузки (Rк) т. е. Ад = SRк. максимальное значение крутизны равно
, где jт – температурный потенциал (» 0,026 В при комнатной температуре). В ДУ значение S близко к максимальному при êUвх д÷< 2jт, а уже при Uвх д > 4jт усиление практически отсутствует, так как в этом случае перераспределения токов в плечах практически не происходит (рис.70). 
Как видно из выражения для Ад его можно увеличить увеличив ток I0 и сопротивление нагрузки. Однако в первом случае увеличивается входной ток ДУ
, где h21э – коэффициент передачи базового тока транзистора (коэффициент усиления по току транзистора), что нежелательно, так как уменьшается входное сопротивление ДУ. Во втором случае увеличивается площадь резисторов на подложке микросхемы и возрастает требуемое напряжение питания +En для сохранения активного режима работы транзисторов Т1, Т2, что также недопустимо. Эта проблема решается заменой резисторной нагрузки транзисторной.Широко распространенная в схема ДУ структура транзисторной нагрузки показана на рис. 71.
Эта схема называется отражателем тока или токовым зеркалом. Если транзисторы идентичны то
Uбэ4 = Uбэ5 при Iк1= Iк2.
Отражатель тока обладает всеми достоинствами источника тока (рис. 69). Выходной ток ДУ
Iвых = Iк1 – Iк2.
Кроме высокого дифференциального сопротивления Т4 и Т5, благодаря тому, что выходным сигналом является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов Т1 и Т2 взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.
Выходное напряжение сдвига
В реальном ДУ при
Uвх1 = Uвх2 = 0
оказывается DUвых¹ 0. Это обусловлено неодинаковым падением напряжения на переходах эмиттер–база транзисторов Т1, Т2 вследствие неидентичности их параметров. Эта разность определяется как входное напряжение сдвига
Uвх сдв. = êUбэ1 – Uбэ2÷.
Входное напряжение сдвига действует точно также как дифференциальный сигнал, прикладываемый к усилителю, вызывая выходной сигнал, равный Ад× Uвх сдв..
Для обеспечения нормального функционирования ДУ это выходное напряжение сдвига должно быть скомпенсировано.
9.3 Структура операционных усилителей и их параметров
Название операционный усилитель (ОУ) получил от способности выполнять различные операции над сигналами с помощью пассивных цепей отрицательной обратной связи.
Схемотехнически ОУ в основном выполняется по схеме усилителя постоянного тока с дифференциальным каскадом на входе и двухтактным – на выходе, обеспечивающим малое выходное сопротивление.
Для современных интегральных ОУ характерны две структурные схемы: трехкаскадная и двухкаскадная. Трехкаскадная модель, разработанная в 60-х гг. прошлого столетия состояла из входного дифференциального усилителя работающего в режиме микротоков (десятки микроампер), промежуточного усилителя напряжения и компенсации напряжения сдвига и выходного усилителя, определяющего нагрузочную способность ОУ и не участвующего в формировании его коэффициента усиления.