Аналоговых микросхемах

Биполярный транзистор — наиболее часто применяемый элемент ИМС. Биполярные транзисторы п — р — n-типа, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии, являются основными элементами почти всех аналоговых микросхем. Остальные элементы микросхемы выбирают и конструируют так, чтобы они совмещались с основной п — р — «-структурой. Все элементы такой микросхемы изготовляют чаще всего в эпитаксиальном слое, имеющем электронную проводимость.

Разработка сложных аналоговых микросхем имеет ряд особенностей, однако элементы машинного расчета, во "всяком случае на первом и. втором этапах, дают эффективные результаты и в этом случае.

Несмотря на то что производство логических ИМС в настоящее время значительно превышает производство аналоговых микросхем, аналоговая микросхемотехника развивается все возрастающими темпами. По мере совершенствования технологии и методов проектирования ИМС номенклатура аналоговых микросхем увеличивается, резко возрастает сложность функций, возлагаемых на отдельную микросхему, растет степень интеграции.

В отличие от логических ИМС, аналоговые микросхемы не имеют единой совокупности параметров, характеризующих все их типы. Каждый класс аналоговых микросхем характеризуется набором своих специфических параметров.

Аналоговые микросхемы различного функционального назначения разрабатываются в полупроводниковом и в пленочном исполнении. Однако требования к точности элементов, шумовым параметрам, частотным и другим характеристикам аналоговых микросхем, как правило, выше, чем к логическим. Таким образом, гибридно-пленочная технология обладает более широкими возможностями для реализации аналоговых микросхем.

Рассмотрим некоторые особенности наиболее распространенных аналоговых микросхем.

к параметрам аналоговых микросхем (точность, частотный диапазон, уровень шумов, регулировки) значительно жестче, чем к Логическим и цифровым схемам.' Вместе с тем надо учитывать, что разработка новой полупроводниковой ИМС и организация ее производства требуют довольно больших затрат. Особенно это существенно, если эта схема будет использоваться в относительно небольших количествах.

ИМС серии 490 представляет собой комплект аналоговых микросхем (управляемые индикаторы) для устройств отображения информации.

По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровая микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. В аналоговых микросхемах сигналы изменяются по закону непрерывной функции. Самый распространенный тип аналоговых микросхем — это операционные усилители. Частным случаем аналоговых являются микросхемы диапазона СВЧ.

Основное достоинство метода изоляции р-п переходом — простота технологии формирования изолирующих областей /?+-типа. Для их создания применяют такие же технологические процессы (фотолитографию, диффузию примесей), что и для получения основных областей транзистора •— базовой и эмиттерной. Однако изоляция р-п переходом не является совершенной: обратный ток этого перехода резко увеличивается при повышении температуры и под воздействием ионизирующих облучений. Изолирующий переход вносит барьерную емкость, которая снижает граничную частоту аналоговых микросхем (см. гл. 12) и увеличивает задержку переключения импульсных схем (см. гл. 7). Кроме того, изолирующие области р+-типа ( 3.1, б) занимают зна-

Для создания некоторых цифровых и особенно аналоговых микросхем кроме п-р-п необходимы р-п-р транзисторы. Если допускается, что электрические параметры последних могут быть хуже, чем у п-р-п транзисторов, то транзисторы обоих типов изготовляют одновременно. В этом случае не используют дополнительные технологические операции. Таким образом можно создавать только горизонтальные р-л-р-транзисторы.

По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровая микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. В аналоговых микросхемах сигналы изменяются по закону непрерывной функции. Самый распространенный тип аналоговых микросхем — это операционные усилители. Частным случаем аналоговых являются микросхемы диапазона СВЧ.

В некоторых аналоговых микросхемах используют полевые транзисторы с управляющим р-п переходом. Известно, что в отличие от биполярных полевые транзисторы характеризуются значительно большим входным сопротивлением и меньшим уровнем шумов, но уступают им по быстродействию и занимают большую площадь. Поэтому по-

Специфика МЕП-транзисторов, используемых в аналоговых микросхемах диапазона СВЧ, определяется тем, что помимо высоких граничных частот (десятки гигагерц) требуется обеспечить большие рабочие токи (десятки миллиампер) для достижения большой мощности. В связи с этим ширина затвора должна во много раз превышать его длину, а сопротивление затвора должно быть минимальным. Эти требования определяют особенности топологии СВЧ-транзистора.

Конденсаторы емкостью порядка 10 пФ на основе МДП-структур используются в некоторых аналоговых микросхемах, обладающих частотной избирательностью сигналов (например, в активных фильтрах). На высоких частотах МДП-конденсаторы имеют низкую добротность, так как одной из обкладок служит полупроводниковый слой со значительным сопротивлением. Высокую добротность обеспечивают тонкопленочные конденсаторы. Такие конденсаторы емкостью 0,1 ... 1 пФ, а также тонкопленочные индуктивные элементы (доли наногенри) применяют в полупроводниковых аналоговых арсенид-галлиевых СВЧ-микросхемах. На более низких частотах индуктивные элементы не используют. В некоторых случаях индуктивный эффект получают схемным путем (применяя операционные усилители с 7?С-цепями обратной связи, активные фильтры и др.). Для других случаев применения, где индуктивности необходимы, используют катушки, находящиеся вне корпуса микросхемы.

Сопротивление увеличивается с ростом температуры из-за снижения подвижности дырок, причем температурный коэффициент сопротивления (ТКС) равен 0,1 ... 0,3 %/°С. Технологический разброс сопротивлений для разных микросхем б RIR = ± 10 %, в то время как резисторы с одинаковой геометрией на одном кристалле практически идентичны. Разброс отношения сопротивлений резисторов на одном кристалле менее 0,1 %, их ТКС< 0,01 %/°С. Удельная барьерная емкость р-п перехода между слоями / и 2 равна (2...4)-10~4 пФ/мкма. Резистор вместе с распределенной по его длине емкостью образует /?С-линию, которую можно использовать в аналоговых микросхемах для получения частотно-избирательных цепей. Однако в большинстве случаев емкость является нежелательной (паразитной), так как ухудшает быстродействие микросхем.

Во многих аналоговых микросхемах ДК используют только на входе устройства, остальные каскады усиления или преобразования сигналов выполняют по однофазной схеме. Примером такой микросхемы может служить ОУ.

В учебном пособии используется метод графов для описания как отдельных усилительных каскадов, так и сложных перестраиваемых избирательных устройств аналоговой обработки сигналов. На основе понятий возвратной разности и возвратного отношения излагается теория усилителей с обратной связью. Рассматривается схемотехника усилителей, получившая распространение в аналоговых микросхемах и интегральных операционных усилителях. Анализируются оконечные каскады усилителей мощности, активные з>лементы которых работают в ключевом режиме. Большое внимание уделяется схемотехнике звеньев на основе интегральных операционных усилителей для аналоговой обработки сигналов и синтезу перестраиваемых избирательных устройств. В книге не отражаются вопросы непосредственного проектирования усилителей, однако приводятся примеры расчета и большой набор модзлей различных активных усилительных элементов как для неавтоматизированных (ручных), так и для автоматизированных (машинных) методов расчета, а также уделяется внимание таким направлениям, как синтез и макромоделирование, которые широко применяются при автоматизации проектирования современных усилительных устройств.

По последнему признаку усилители делятся на полупроводниковые, ламповые, магнитные, диэлектрические, изолирующие и др. Полупроводниковые усилители реализуются на транзисторах (биполярных и полевых), аналоговых микросхемах, операционных усилителях (ОУ), транзисторных оптопарах и т.д.

Распространенными представителями ГСТ являются отражатели тока (токовые зеркала), получившие широкое применение в аналоговых микросхемах [5]. Отражателем тока называется устройство, ток которого, протекая в одной ветви цепи, точно воспроизводится в другой независимо от параметров последней. Они используются во многих устройствах электронной аппаратуры и, самое главное, дают высокие технические результаты в аналоговых микросхемах, где параметры однотипных элементов характеризуются малым разбросом и имеют примерно одинаковый температурный режим за счет общей подложки.

Таким образом, сигнальные и унисторные графы, обладая хорошей наглядностью, позволяют чрезвычайно просто анализировать как отдельные усилительные каскады, так и аналоговые устройства, реализованные на интегральных ОУ и других аналоговых микросхемах.

Усилительные каскады на составных транзисторах применяются во многих устройствах: в мощных оконечных каскадах усилителей (чаще когда в качестве предварительных усилителей используются интегральные ОУ), в дифференциальных каскадах, в различных аналоговых микросхемах. Они могут также входить в состав самих ОУ [5, 7].