БЕЛОРУССКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра ЭВС
РЕФЕРАТ
На тему:
«Интегральныемикросхемы (аналоговые и импульсные), как одна из составляющих частей РЭА»
МИНСК, 2008
Интегральныемикросхемы, как одна из составляющих частей РЭА
Электрическоемоделирование ИС может быть как расчетно-теоретическим, так и натурным(экспериментальным) (последнее обычно дополняет первое). Расчетно-теоретическоемоделирование в свою очередь подразделяется на аналитическое и машинное. Воснове аналитического моделирования лежат известные аналитическиепреобразования, используемые в теории цепей. При машинном моделировании на ЦВМиспользуются арифметические операции сравнения, перебора. Прирасчетно-теоретическом моделировании в качестве исследуемого объектаприменяются как принципиальная, так и эквивалентная схемы. При натурноммоделировании используется только принципиальная схема.
/>
Рис.1. Классификация типов электрических моделей и моделирования ИС
Основнымметодом этого моделирования является метод граничных испытаний схемы.Классификация типов электрических моделей приведена на рис. 1.
Взаключение остановимся на классификации используемых на практике элементовпринципиальных электрических схем, приведенной на рис. 2. Эти элементы преждевсего характеризуются числом полюсов (входов и выходов электрического тока).Существуют двухполюсные (резисторы, конденсаторы, диоды), трехполюсные(транзисторы, RC-структуры),четырёхполюсные (трансформаторы, тиристоры) и в общем случае n-полюсные элементы. С ростом числаполюсов конструктивная сложность элемента и его возможности преобразованиясигнала, как правило, существенно возрастают; одновременно увеличиваетсягибкость управления режимом работы. Элементы делятся на пассивные и активные.Пассивные элементы, обладающие положительным сопротивлением (/>), расходуют мощностьполезного сигнала, чаще всего рассеивая ее в виде тепловых потерь. Активныеэлементы усиливают мощность полезного сигнала, преобразуя энергию источниковпитания в энергию полезного сигнала. Знак и величина угла /> сдвига фаз между током инапряжением сигнала на каждом полюсе элемента определяют его импеданс. В общемслучае он будет комплексным. При /> импедансбудет носить индуктивный, при /> —емкостной, а при /> — омическийхарактер. При /> двухполюсникивырождаются в резисторные, индуктивные и емкостные элементы соответственно. Зависимостьтока сигнала от его напряжения на каждом полюсе элемента может быть каклинейной, так и нелинейной. Нелинейными зависимостями обычно обладают активныеэлементы. Наиболее часто встречаются нелинейности N — и S-вида.
Порежиму работы элементы можно подразделить на аналоговые и ключевые(спусковые). Первые характеризуются сравнительно плавным изменением параметровво времени, вторые — скачкообразным (в идеале — мгновенным). Закономерностиизменения параметров аналоговых элементов, во многом определяющие форму испектральный состав сигнала, существенно влияют на информационную частьпоследнего. Изменения параметров ключевых элементов, как правило, не влияют наформирование информационной части сигнала, которая определяется правиламикодирования
/>
Рис.2. Классификация преобразовательных схемных элементов (компонентов) ИС.
Последнийпризнак рассматриваемой классификации характеризует степень пространственногораспределения параметров элемента. С этой точки зрения элементы подразделяютсяна элементы с сосредоточенными параметрами и элементы с распределеннымипараметрами.
Основнойзадачей электрического моделирования ИС является оптимальный синтез еепринципиальной электрической схемы (модели). Для конструктора эта схемасодержит информацию: о числе схемных элементов в ИС и их электрическойвзаимосвязи друг с другом; о типах этих элементов и их основных электрическихпараметрах и характеристиках; о допусках на эти параметры и характеристики.Процесс разработки принципиальной схемы, как и любой другой модели ИС,подразделяется на три этапа: структурный синтез схемы, анализ ее параметров ипринятие решения о пригодности модели. На этапе структурного синтезаопределяется электрическая схема, тип входящих в нее элементов, номинальныезначения их параметров. Рассмотрим эту операцию более подробно. Прежде всегоотметим, что синтез электрических схем (моделей) ИС отличается от синтезаэлектрических схем обычных узлов РЭА следующими особенностями:
1. Невсе классические дискретные схемные элементы технически можно или экономическивыгодно выполнять в виде ИС. К таким элементам относятся трансформаторы токов инапряжений, индуктивности, большие емкости, настроечные элементы.
2. Невсе элементы, сформированные в ИС, имеют аналоги среди дискретных элементов,выпускаемых промышленностью. Так, например, нет дискретного аналогаинтегральной RC-структуры.Однако, если даже такие аналоги и имеются, то электрические характеристики ипараметры интегральных и дискретных элементов обычно отличаются друг от друга.Так, например, интегральный диффузионный резистор, в отличие от дискретногорезистора типа МЛТ, имеет большую паразитную распределенную емкость.
3.Электрические связи между элементами в ИС существенно «дополнены»паразитными связями через общую для них подложку. Поэтому принципиальнаяэлектрическая схема воспроизводит только важнейшие процессы и характеристикиИС, и то с определенной степенью приближения.
Этапструктурного синтеза электрических принципиальных схем проектируемых PIC является сложным и ответственным процессом.Этот этап выполняется наиболее квалифицированными схемотехниками. В своейработе они используют информацию о ранее выполненных разработках подобногорода, технические условия, технологические ограничения со стороны планируемогозавода-изготовителя, личный опыт и инженерную интуицию. Структура электрическойсхемы ИС во многом определяется характером выполняемых ею преобразованийсигналов. Аналоговое и импульсные схемы выполняют, как правило, точныеэлектрические преобразования, в силу чего их характеристики чувствительны квариации параметров элементов, к реакции на паразитную обратную связь ифлюктуациям параметров входного сигнала. При проектировании и изготовлении этихсхем требуется большая точность.
ЛогическиеИС. Дискретные логические схемы характеризуются быстродействием (величинойзадержки распространения сигнала), нагрузочной способностью (коэффициентомразветвления выходных каналов), потребляемой мощностью. Эти схемы могут бытьвыполнены как на ЭРЭ биполярных и полевых транзисторах, так и на УФЭ магнитных,оптоэлектронных, криогенных и других устройствах. Схемы на биполярныхтранзисторах подразделяются на следующие типы: диодно-транзисторные логические(ДТЛ), транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ), транзисторные логические снепосредственными (или резистивными, или резистивно-емкостными) связями (ТЛНС),логические схемы переключения тока (ЛСПТ), триггеры. Примеры указанных типовсхем приведены соответственно на рис. 3 – 7. Эти схемы (за исключениемтриггера) выполняют логическую операцию (преобразование) И–HE/ИЛИ–НЕ. Их основные параметрысведены в табл. 1.
Таблица1Параметры схем Типы схем ДТЛ ТТЛ ТЛНС ЛСМТ Триггер
Задержка распространения сигнала, нсек 8...50 6...45 10...200 5...6 40...250
Потребляемая мощность, мВт 7,5...30 12...15 3...27 35...70 2...90 Нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу) 4...20 7...20 4...16 20...25 10...12
Помехоустой-чивость, в 0,5…1 0,5…1 0,15…0,35 0,25…0,4 0,1…1,0
Рабочий диапазон температур, °С -60...+125 -60...125 -60...+125 0...+70
0...+65
-60...+125
Широкоераспространение получили также логические схемы на МДП (МОП)-транзисторах. Нарис. 8 и 9 приведены схемы совпадений типа НЕ—И и триггера. Двухвходовые схемысовпадений (НЕ—И) с параллельным и последовательным соединениемМОП-транзисторов работают следующим образом. В схеме с параллельным соединением(рис. 8, а) транзисторы в исходном состоянии открыты, а в схеме споследовательным соединением (рис. 8,6) — закрыты. Только одновременная подачавходных сигналов на затворы приборов приводит к срабатыванию схемы. Наряду соперацией II схема инвертирует сигнал. Задержкараспространения сигнала в схеме примерно 170—400 нсек. Быстродействиесхемы с параллельным включением транзисторов выше. Потребляемая мощностьпорядка 4...15 мВт. Непосредственные связи в схеме триггера обеспечиваютмаксимальное быстродействие (задержка распространения сигнала 10...80 нсек).Потребляемая мощность схемы 5...20 мВт.
Аналоговыеи импульсные ИС. Этисхемы стали разрабатываться промышленностью в 1964 г. В настоящее время разработаны серии усилителей, генераторов, модуляторов, фильтров,стабилизаторов напряжения и т. п. В настоящее время существует тенденцияпостроить унифицированную серию ИС по каждому основному типу преобразованиясигнала (типу функции). Успехи в этом направлении пока ощутимы в областилинейных усилителей, хотя имеется множество попыток разработать ИС, реализующиедругие функции. Среди класса усилителей хорошо освоены в интегральномисполнении так называемые операционные (решающие) усилители (ОУ), позволяющиевыполнять в ЭВМ операции сложения, вычитания, интегрирования,дифференцирования, изменения знака и т. д., а при использовании ОУ в аналоговыхили импульсных устройствах — функции усиления, сравнения, детектирования ифильтрации.
/>
Рис.3. ДТЛ-схема. Рис. 4. ТТЛ-схема.
/>
Рис.5. ТЛНС-схема с непосредственными связями
/>
Рис.6. ЛСПТ-схема.
/>
/>
Рис.7. Схема триггера на биполярных транзисторах.
/>
Рис.8. Рис. 9.
Рис.8. Двухвходовая схема совпадения НЕ — И с параллельным (а) и последовательнымсоединением МДП-транзисторов (б).
Рис.9Схема триггера с непосредственными связями на МДП-транзистора.х.
Электрическаяпринципиальная схема одного из типовых операционных усилителей приведена нарис. 10. Она содержит входной и выходной каскады, а также каскад обратнойсвязи; схема собрала на 4 транзисторах p—n—p и n—p—n-типа и 15 резисторах. Как и дифференциальныйусилитель, операционный усилитель имеет два высокоомных симметричных входа, накоторые подается разность напряжений сигналов, и низкоомный несимметричныйвыход. ОУ обладает высоким коэффициентом усиления по току и сильнойотрицательной обратной связью. Сигнал по первому входу инвертируется на выходе,а по второму входу не инвертируется. В целях исключения самовозбуждения навысоких частотах к клеммам 4,5 и 6 подключаются внешние развязывающие RC-фильтры Диапазон рабочих температурусилителя —55°...+125°С. Коэффициент усиления 100, входное предельное напряжениеUвх ≈ 5 мв, входноесопротивление Rвх = 900 ком, температурныйдрейф нуля примерно 10 мкв/°C
Източных аналоговых преобразований сигнала, которые можно выполнять с помощьюоперационного усилителя, в настоящее время достаточно хорошо осуществляется фильтрациясигнала. Структурная схема так называемых активных фильтров приведена на рис.11. Она содержит частотно-избирательные элементы в цепи обратной связиоперационного усилителя и перед каждым из его входов. В качестве этих элементовможно использовать емкости и индуктивности, но лучше всего применять RC-структуры. Путем подбора параметровэтих структур можно реализовать почти любую функцию передачи, т. е. построитьфильтр практически с любой характеристикой.
/>
Рис10. Электрическая принципиальная схема операционного усилителя в интегральномисполнении:
1 —инвертирующий вход; 2 — неинвертирующий вход; 3— выход; 4, 5, б — выводыподключения внешних цепей.
/>
Рис. 11 Структурная схемаактивного фильтра, построенного на основе операционного усилителя
ЛИТЕРАТУРА
1.Петров К.С.Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие для вузов. –СПб: Питер, 2003. – 512 с.
2.Опадчий Ю.Ф. и др.Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Ю.Ф.Опадчий,О.П.Глудкин, А.И.Гуров; Под.ред. О.П.Глудкина. М.: Горячая Линия – Телеком,1999. – 768 с.
3.Акимов Н.Н. и др.Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройстваРЭА: Справочник / Н.Н.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П.Ходоренок. Мн.:Беларусь, 2004. – 591 с.