elektronickÉ souČÁstky 8. integrované obvody
DESCRIPTION
ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 8. Integrované obvody. Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc. Elektronické součástky. DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKY. INTEGROVANÉ OBVODY. Tvořené větším množstvím součástek, zejména bipolárními tranzistory. Dioda, tranzistor, tyristor, rezistor, kondenzátor. Hromadné použití : - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY
8. Integrované obvody
Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc
Elektronické součástky
DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKY INTEGROVANÉ OBVODY
Dioda, tranzistor, tyristor, rezistor, kondenzátor
• Individuální použití :
– vysokofrekvenční součástky– optoelektronické součástky– výkonové součástky– rychlé spínací součástky
Tvořené větším množstvím součástek, zejména
bipolárními tranzistory
• Hromadné použití :
– univerzální obvody– nízká cena
Analogové: vstupní i výstup. obvody pracují se spojitými veličinami v amplit. i v čase
Digitální: vstupní i výstup. veličiny nabývají pouze dvou (tří)hodnot
Elektronické součástkyDiskrétní x Integrované
DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKY INTEGROVANÉ OBVODY
Hlavní výhody:
• nižší výrobní cena při velkých sériích • jednodušší řešení větších elektronických celků
Hlavní nevýhody:
• horší špičkové parametry• omezená možnost nastavovat parametry• menší variabilita použití• vysoká cena vývoje obvodu
Hlavní výhody:
• lepší špičkové parametry • dobrá nastavitelnost vlastností obvodů• vysoká variabilita obvodů• nižší cena vývoje obvodu
Hlavní nevýhody:
• vyšší výrobní cena složitých elektronických obvodů• složité řešení větších elektronických celků
Diskrétní součástky
Diody, tranzistory, tyristory, triaky, pozistory,
optoelektrické součástky, ...
• Podle konstrukce:
– s drátovými vývody– pro plošnou montáž – s masivními vývody (výkonové, VN apod.)
Rezistory, kondenzátory, cívky,
transformátory,konektory, přepínače, …
Polovodičové součástky Pasivní součástky
• Podle způsobu montáže:
– montáž do DPS– montáž na HIO – individuální montáž
Pozn: DPS = desky plošných spojů, HIO = hybridní integrované obvody
Integrované součástky Monolitické integrované obvody
Obvody, skládající se z tranzistorů, diod, rezistorů (příp i z kondenzátorů), vyrobených hromadnou technologií na společné
polovodičové podložce (většinou Si, zřídka GaAs, zcela výjiměčně některé kombinované materiály)
Třídění podle stupně integrace:• Nízká integrace - SSI (Small Scale Integration) až stovky součástek na jednom chipu• Střední integrace - MSI (Middle Scale Integration) – až 104 souč./chip• Vysoká integrace – LSI (Large Scale Integration) – až 105 souč./chip• Velmi vysoká inegrace – VLSI (Very LSI) nad 105 souč. /chip• Mimořádně vysoká integrace – ELSI (Extremally LSI) nad 106 součástek/chip
Integrované součástkyDalší třídění
• Bipolární (Si NPN/PNP, TTL, ECL, SDL..)
• MOS (NMOS, CMOS – komplementární tranzistory)
• Speciální (GaAs, MMIO)
• Kombinované (BiCMOS,
Podle technologie výroby: Podle hromadnosti aplikací:
• Univerzální obvody (Operační zesilovače, paměti, procesory,…)
• Aplikačně orientované s širokým použitím (Obvody pro TV, GSM, …)
• Zákaznické obvody
Integrované součástkyTřídění podle typu signálu
Analogové IO
• Zprostředkovávají styk s vnějším prostředím
• Pracují s veličinami spojitými v amplitudě i v čase
Digitální IO
• Provádějí matematické operace - výpočty
• Do kontaktu s vnějším světem přicházejí pomocí převodníků A/D a D/A
Vstupní obvody
A/D převod.
Výpoč. jednotka Senzor
Výstupní obvody
Výkonný prvek
D/A převod.
Elektronické zařízení
Okolní příroda
Digitální část zařízeníAnalogová část zařízení
Analogová část zařízení
Analogové integrované obvody
Slouží zejména těmto funkcím:
• Senzory - bezprostřední styk s vnějším prostředím, převod neelektrických veličin na napětí a proud
• Úprava výkonových a impedančních úrovní – zesilovače nízkovýkonové, nízkošumové, výkonové, transimpedanční, zeslabovače
• Řízení toku analogového signálu – přepínače, spínače, filtry
• Stabilizace úrovní, napájecí zdroje, regulátory
• Transformace kmitočtu – modulátory a demodulátory, oscilátory
Analogové integrované obvodyBipolární technologie Si NPN/PNP
P
EBCN+
N
N+
Utopená vrstva N++
P
SiO2SiO2 Řez tranzistorem NPN – izoplanární struktura
Topologie tranzistoru NPN – izoplanární
struktura
N
SiO2
N
P
EBC
Analogové integrované obvodyStavební prvky
Stabilizace pracovního bodu bipolárního tranzistoru :
UBEUCE
IE
IC
IB
UCC
RC
SE UCE = UCC – RCIC
UCE
IC
tep
lota
UCCUC0
IC0
Prac. bod (závisí na teplotě)
Stavební prvky AIOStabilizace pracovního bodu trantzistoru
Tranzistor T1 stabilizuje pracovní bod tranzistoru T2
(oba tranzistory považujeme za shodné)
UC2
IC2
UCC
RC2RC1
T1
T2
UC1= UB1= UB2
IC1
UB2
UCE
IC
UC1 UC2
IC2
IC1
T2
T1
I C2-
IC
1 Diferenciální odpor kolektoru
C1C2
C1C2c II
UUr
Poznámka: Silně je vytažena signálová cesta.
Stavební prvky AIOStabilizace pracovního bodu trantzistoru
c
2
c
1
1
2
1
2CC
C2
c
1
1c
C2
1
CCC2
rR
1
rR
1RR
0,7RR
1U
U
r
R1
R
0,7
r
U
R
UI
1
c
2
c
1
1
2B
1
2CCC2
c
2BC2
1
2B
1
2CCC2
c
BC2
1
BCC
c
C1C2C1C2
BC1B2B11
B1CCC1
r
R1
r
R1
R
RTΔU0,7
R
R1UU
r
RTΔU0,7U
R
RTΔU0,7
R
R1UU
r
TΔU0,7U
R
TΔU0,7U
r
UUII
TΔU0,7UUU,R
UUI
Po zjednodušení vypuštěním UB(T) dostáváme vztahy pro IC2 a UC2:
Pracovní bod závisí pouze na poměrech odporů, které lze v IO dodržet přesně!
UC2
IC2
UCC
R2R1
T1
T2
IC1
UB2UB1
Proudový zdroj – aktivní zátěžMotivace: Pro různé obvodové funkce je zapotřebí mít k dispozici zátěž, nebo zdroj s vysokým vniřtřním odporem ri. Pokud použijeme rezistor o vysoké hodnotě ri bude na něm velká ztráta: I2ri. Kromě toho realizace velkého odporu na IO vyžaduje velkou plochu obvodu a prodražuje jej.
UCE2
ICE2
1
2
Myšlenka:
Stejný diferenciální odpor ri ale vyšší proud, než v případě 2
1
IE2
IC2
+UCC
RC1
T1
T2UC2
Provedení: Schématická značka:
IC2
-UCC
Proudový zdroj – aktivní zátěž
-UCC
RC1
T1
T2
UC2
c
C2C0
c
C2
c
BC1
c
C1C2C1C2
r
UTI
r
U
r
TΔU0,7I
r
UUII
• Závislost IC0 na teplotě je minimální
• Závislost IC0 na UC2 je popsána diferenciálním odporem rC ~ 105
UC2
IC2
IC0
UC1
UC IC
rC = UC/ IC
Uspořádání proudového zdroje pro opačnou polaritu s komplementárními tranzistory:
+UCC
Lineární diferenciální stupeňLineární obvod, zesilující rozdíl vstupních napětí
a) Symetrický obvod: T1 = T2, R1 = R2
b) Symetrický rovnovážný stav: UA0 = UB0, UC0 = UD0, I10 = I20
Celková napětí a proudy v obvodu lze vždy vyjádřit pomocí odchylek od rovnovážného stavu UA, UB, …:
UA = UA0 + UA, UB = UB0 + UB, UC = ….
I1 = I10 + I1, I2 = I20 + I2, IZ = IZ0 + IZ, ….
Linearitu obvodu lze však předpokládat, pouze tehdy, když budou odchylky všech napětí a proudů U, I od rovnovážných hodnot dostatečně malé.
-UCC
výstup
UA
UB
UC
UD
+UCC
vstupR1 R2
T1 T2
IzUZ
I1I2
Ib1 Ib2
Diferenciální stupeň1.Rovnovážný stav- příprava řešení
UA0
UB0
UC0
UD0
+UCC
-UCC
R1 R2
T1 T2
Iz0UZ0
I10 I20
Ib10
Ib20
Rovnovážný stav je nelineární symetrický režim. Všechny veličiny v obvodech obou tranzistorů jsou stejné obvod lze zjednodušit:
Oba tranzistory jsou paralelně – lze je nahradit jedním s dvojnásobnými
proudy
Totéž platí pro oba rezistory
Vlastnosti prvků: Iz0 = I0 + UZ0/rC, I10 = IT0 + UT0/rC
2. Kirchoffův zákon: UZ0 + UT0 + 2I10.R1/2 = 2UCC
c
CTCCCCCCCT rR
rIrIUIUrIIrIIRI
3
222
1
0010010010110
UA0
+UCC
-UCC
R1/2
2T1
Iz0
2I10
2Ib1
UZ0
UT0
UC0
Diferenciální stupeň1. Rovnovážný stav- hlavní větev
UA0
+UCC
-UCC
R1/2
2T1
Iz0
2I10
2Ib1
UZ0
UT0
UC0
I0
UZ0
2I10
IZ
UZ
2IT0
UT0
2I10
I2T
U2T
2IT0
UR0
2I10
I2T
UR
UR0
Proudový zdroj 2xtranzistor 2xrezistor
UZ0 = (2I10 – I0)rc UT0 = (I10 – IT0)rc UR0 = I10R1+ + = 2UCC
Minimální proud 2I10 = I0
:UZ0 = 0 (I0/2– IT0)rc I0R1/2+ = 2UCC
I10 = I0/2; IT0 = I0/2 (1+ R1/rc) – 2UCC/rc
Maximální proud IT0 = I10
:0 I10R1+ = 2UCC
I10 = (I0/2)/(1+R1/2rc) + UCC/(rc + R1/2); IT0 = I10
(2I10 – I0)rc +
+
Diferenciální stupeň1.Rovnovážný stav- obvod báze
I10 = Ib10 = .Is.exp[(UA0-UZ0)/Ut]; Ut = kT/e = 0,025 V
UA0 + UCC= UZ0 + Ut.ln(I10/ Is) UZ0 + 0,6 V !!
UA0 + UCC= (2I10 – I0)rc + 0,6 I10 = I0/2 + (UA0 + UCC – 0,6)/(2rc)
UC0 = UCC – I10R1 = UCC(1-R1/(2rc)) + 0,6R1/(2rc) –I0R1/2 – UA0R1/(2rc)
UA0
UCC
UCC
R1/2
2T1
Iz0
2I10
2Ib10
UZ0
UC0
UR0
Definice signálové nulyNapájecí napětí s malou korekcí
Po
kles
v d
ůsl
edku
m
inim
áln
ího
pro
ud
u
Zm
ěna
v d
ůsl
edku
vs
tup
níh
o n
apět
í
Závěr: Proud obvodem i napětí na kolektoru velmi málo závisejí na napětí na bázích tranzistorů T1 a T2.
Diferenciální stupeň 2. Odchylky od rovnovážného stavu
Budeme uvažovat pouze malé odchylky od rovnovážného stavu:
UA = UA0 + uA, UB = UB0 + uB,UC = UC0 + uC,UD = UD0 + uD,….
takže závislosti jednotlivých veličin mezi sebou bude možno linearizovat:
CCCC
DB
B
DA
A
DDCC
CC
CB
B
CA
A
CC
CCCCCC
CB
B
CA
A
CCCBAC
CCBACC
uU
Uu
U
Uu
U
Uuu
U
Uu
U
Uu
U
Uu
uUuU
Uu
U
Uu
U
UUUUU
UUUUU
0000 ,...,,
,...,,
atd., takže:
Vlastnosti obvodu nyní popisují lineární rovnice mezi ochylkami jednotlivých veličin od rovnovážného stavu
Diferenciální stupeň 2. Rozklad na symetrický a antisym. režim
Zavedeme dva zvláštní režimy:
Symetrický režim (angl. Common mode):
uA = uB = uA, uC = uD = uC, i1 = i2 = i2, …
Antisymetrický režim (Differential mode):
uA = -uB = uA, uC = -uD = uD, i1 = -i2 = i1, …
UA
UB
UC
UD
+UCC
-UCC
R1 R2
T1 T2
IzUZ
I1 I2
Ib1
Ib2
Jakýkoliv stav uA, uB, uC, uD, …, který nesplňuje uvedené podmínky symetrie lze pak rozložit na složku symetrickou a antisymetrickou:
uA = uA + uA, uB = uA - uA, uC = uC + uC, uD = uC - uC, …,
jejichž velikosti lze vypočítat z veličin: uA, uB, uC, uD, … :
uA = uA + uB, uA = uA – uB, …
Diferenciální stupeň2a. Lineární symetrický režim
• Předpokládáme, že obvod je v symetrickém rovnovážném stavu s rovnovážnými hodnotami právě vypočtenými: UA0, Ib10, I10, UC0 …
• Lineární režim je opět symetrický režim použijeme zjednodušeného schématu.
• Pro výpočet přenosu v lineárním přiblížení použijeme právě odvozené nelineární vztahy pro nelinární režim : UC0 = f (UA0,UCC) :
11
:
C
1CC
C
1CCCCCAΣC
C
1
CCAΣ
C
1CΣ
CC
CCA0CC
A0
CCA0AΣC0
C
1A0
10
C
1
C
1
CCC
2rR
1D
2r
RAkdeuDuA
2rR
1
uu
2r
Ru
U
U,Ufu
U
U,UfuU
2r
RU
2
RI
2r
R0,6
2rR
1
UU
Zisk stupně v symetrickém režimu Vliv napájecího napětí
Diferenciální stupeň2b. Lineární antisymetrický režim - schéma
• Opět předpokládáme, že obvod je v symetrickém rovnovážném stavu s vypočtenými rovnovážnými hodnotami: UA0, Ib10, I10, UC0 …
• Lineární režim uvažujeme pouze odchylky veličin od rovnovážných hodnot.
• Antisymetrický režim nutno odvodit nové zjednodušené schéma:
uA
uB
uC
uD
+UCC
-UCC
R1 R2
T1 T2
uZ
i1 i2
ib1
ib2
iE1 iE2
iE1 = - iE2 iZ = 0 uz = 0 UZ = UZ0 = konst.
uA
uB
uC
uD
+UCC
-UCC+ UZ0
R1 R2
T1 T2
i1 i2
ib1
ib2
+UCC
Pro lineární antisymetrický
režim
Stačí řešit pouze obvod jednoho z tranzistorů
Diferenciální stupeň2b. Lineární antisymetrický režim - řešení
• Jde o zesilovač se společným emitorem v lineárním režimu proto použijeme hybridní parametry h11e, h21e, ..:
i1 = h21eib1 + h22euC; uA = h11eib1 + h12euC h11eib1;
• Dále platí (2. Kirchhoffův zákon): uC = uCC – i1R1 = -i1R1;
• Tak dostaneme: uA
+UCC
R1
T1
i1
ib1
uC
vst
1D
AΔDAΔ22e1
21e
11e
1CΔ
r
RβA
uAuhR1
h
h
Ru
vst
c
C
D
r
2rβ
A
ACMRR
Zisk stupně v antisymetrickém režimu
Poměr zisků v symetrickém a v antisymetrickém režimu se nazývá
potlačení souhlasného signálu:
angl. CMRR (Common Mode Rejection Ratio)
nebo:
dBr
2rβ20.log
A
A20.logCMRR
vst
c
C
D
Proudová zrcadlaSkupina obvodů, které realizují nesymetrický proudový výstup ze
symetrického obvodu
Rovnovážný stav je symetrický s rovnovážnými veličinami UZ0 = UA0-0,6; IZ0 = UZ0/rc + I0; I10 IZ0/2; I4 = I1 = I2; IC = 0
Bude nás zajímat lineární režim při antisymetrickém buzení diferenciálního stupně (uA = -uB):
• Na proudy I1, I2 mají vliv zejména UA- UZ, UB – UZ i1 = -i2 jako u diferenciálního stupně
• Dvojice tranzistorů PNP T3, T4 tvoří známý proudový zdroj i4 = i1
• i4 – i2 – iC = 0
Předpoklady: T1 = T2, T3 = T4, R1 = R2
UB
Pro
ud
ové
zrc
adlo
-UCC
UA
UC
+UCCR1 R2
T1 T2
IzUZ
I1 I2
Ib1 Ib2
T3
I4 IC
T4
RL
iC = 2.i1
Posun napěťové úrovněSlouží k propojení dvou bodů s různým rovnovážným potenciálem a s
maximálním přenosem odchylek napětí
Posun úrovně
UARL
UB Například: UA = UA0 + uA; UB = UB0 + uB;
Potřebujeme: uB = uA ale UB = UA - U
To nelze realizovat lineárním obvodem a situace je podobná jako u proudového zdroje:
UU
I
I1
I2
Proudový zdroj (posun
proudu)
I
UAUB
Posun úrovně napětí
U1
N diod : UC=N.U1
UAUB
ID RS
ID
RL
0
DTD
T
D0DSDD1 I
IlnUU1
U
UexpII;RIUU
Posun napěťové úrovně II
SDD0
DTSD0
0
D0TD
D0
10101101
1LD1BASD0
DT1
0
DTD
T
D0DSDD1
RiI
iURI
I
IlnUi
I
UUuUU
NURINUUURII
IlnUU
I
IlnUU1
U
UexpII;RIUU
;
Přejdeme k malým změnám veličin:
0,6.NN.UUUΔUN.5.10R
IU
R
Nu
uu;iRu;i
I
URNuu 10B0A0
3
L
D0
TS
B
BADLB
D0
TSBA D
;
Relativní pokles změny napětí na obvodu
Celková diference napětí na obvodu (závisí na teplotě)
N diod : UC= N.U1
UA UB
U1
ID RS
ID
RL
Výstupní obvodyNapěťový výstup
Výstupní obvody s nízkým vnitřním odporem Ri
Dvojitý emitorový sledovač s komplementárními
tranzistory pro nízké proudy
Kvazikomplementární dvojité Darlingtonovo zapojení pro
vysoké proudy
Uvýst Uvst
Ri h11e/[2(+1)]
+UCC
Uvst
Uvýst
-UCC
IZ
IZ
Uvýst Uvst
Ri h11e/ 2(+1)]
T1
T2
T3
T4
Uvst
+UCC
-UCC
Uvýst
IZ
IZ
T1
T2
D1
D2
D1
D2
D3
D4
Výstupní obvodyProudový výstup
Výstupní obvody s vysokým vnitřním odporem Ri
Komplementární dvojčinné zapojení pro nízké proudy
R1 = R2; T1 T2; T3 T4;
Ivýst = I1 – I2 -23Uvst/R1 = -gmUvst
Ri 1/2h22e = rC/2
3 … proudový zesilovací činitel tranzistorů T3 a T4
gm = 23/R1 … přenosová vodivost
Uvst
+UCC
-UCC
Ivýst
R2
R1
T1
T2
T3
T4
I1
I2