|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы  Рис. 1.1. Динамика улучшения информационно-энергетических показателей УОАС: ---чомпараторы; - --ОУ на биполярных транзисторах;---ОУ с полевыми транзисторами на входе; о- устройства выборкн-храиеиия, - д-ЦАП. выполненные по КМОП технологии, -х- ЦАП, выполненные по биполярной технологии, - АЦП использованной на входе аналоговой микросхемы, а не АЦП. Значения Ct и А„, вычисленные для наиболее перспективных типов отечественных и зарубежных полупроводниковых ЦАП и АЦП, приведены в табл. П1. Для х:овместного рассмотрения данные этой таблицы на все типы аналоговых и аналого-цифровых микросхем размещены по времени их разработки и представлены в виде графиков (рис. 1.1). Последние демонстрируют динамику совершенствования качества микросхем, выраженную в уменьшении их входной пороговой энергии и удельного энергопотребления. Из анализа рис. 1.1 можно Сделать следующее заключение. С момента начала разработок аналоговых микросхем увеличилась в 10 раз их чувствительность ко входной информации и уменьшились в 10 раз затраты энергии на ее получение. В. различных типах аналоговых микросхем в разное время достигаются одни и те же предельные значения пороговой энергии Ав.а== = 10~" Дж/бит и удельной энергоемкости Лп.п=10~® Дж/бит. Лучшие типы компараторов и ОУ достигли этих значений соответственно в 1973 и 1975 гг., и в последующих разработках наблюдались в основном вариации между потребляемой мощностью и быстродействием при неизменных А и An. Несмотря на непрерывные усилия разработчиков ОУ и компараторов их последующие успехи сводились к некоторому уменьшению погрешности преобразования Ал в основном за счет совершенствования технологии. Наибольшее отставание значений Ав и А„ от их пределов, обеспечиваемых современным уровнем развития технологии УОАС, наблюдается в УВХ. По-видимому, это объясняется несовершенством традиционной схемотехники УВХ. Имея значения Ав и А„ значительно больше предельных, УВХ должны быть усовершенствованы (в основном схемотехнически), пока запас, обеспечиваемый технологией, не будет использован полностью. ,.-.>; i970 1975 1980 1985 Годы Значительный прогресс был достигнут в области разработок ЦАП и АЦП, у которых величины С, и Ап за 10 лет были улучшены более чем на порядок. В последних разработках преобразователей предельные значения А„ уже практически достигнуты. Что касается одновременного значительного (более чем на порядок) уменьшения достигнутых значений А.п и А„,„ в аналоговых микросхемах обпдего применения, то для этого пока нет видимых технологических и схемотехнических предпосылок. Вместе о тем предельно достижимое значение Ав, определяемое уровнем термодинамических флуктуации, равно 3,5-10"° Дж/бит, и следовательно, проблема значительного уменьшения Ав.п ждет своего решения. По-видимому, это относится и к А„,„. Из сказанного можно сделать вывод, что основные типы аналоговых и аналого-цифровых микросхем общего применения к настоящему времени достигли предела совершенствования их параметров, определенного в основном возможностями базовой технологии их изготовления на основе кремния при традиционной схемотехнике. Вследствие этого, а также благодаря массовому применению этих микросхем в аппаратуре интенсифицировалось второе направление их развития - создание многофункциональных аналого-цифровых БИС (системы сбора данных К572ПВ4, аналоговые процессоры КМ1813ВЕ1). Именно в области проектирования и применения этих структур целесообразно видеть наиболее плодотворные перспективы развития УОАС. Переход к обобщенным информационно-энергетическим показателям качества УОАС, аналогичным принятым для цифровых микросхем и систем на их основе, позволяет перейти к синтезу оптимальных структур многофункциональных блоков из однотипных по параметрам аналоговых и цифровых микросхем, отличающихся только выполняемой функцией. То, что энергии Ав и А„ определяются всей совокупностью показателей точности, быстродействия и потребляемой мощности, позволяет использовать Ав и Аг, в качестве целевых функций при оптимизации структурных схем УОАС с целью достижения в них предельных сочетаний точности, быстродействия и потребляемой мощности для современного уровня развития микроэлектроники. ГЛАВА 2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Операционные усилители относятся к универсальным усилительным элементам, которые в первые годы их создания предназначались для выполнения математических операций над аналоговыми сигналами в аналоговых вычислительных машинах. Первые ОУ представляли собой громоздкие блоки электронной аппаратуры, построенные на лампах. В настоящее время ОУ - это микросхема, параметры которой значительно лучше, чем лампо- вого аналога, а цена значительно меньше. Благодаря этому из специализированных блоков ОУ превратились в универсальный компонент, занимающий доминирующее положение в аналоговых микроэлектронных системах. Под ОУ в настоящее время понимается усилитель с дифференциальным высокоомным входом, одним низкоомным выходом и бесконечно большим коэффициентом усиления. Современные ОУ работают в диапазоне частот от нуля до десятков мегагерц. Направление прохождения сигнала со входа на выход ОУ видно из его символического обозначения, имеющего форму треугольника. Вход, обозначенный плюсом, называется неинвертирующим, минусом - инвертирующим. Обычно на ОУ подают положительное и отрицательное напряжения питания, а общий провод схемы гальванически соединен внутри ОУ с одним из его входов. В дополнение к пяти перечисленным выводам в некоторых типах ОУ предусмотрены выводы для подключения цепей коррекции частотной характеристики и установки нуля выходного напряжения. ОУ чрезвычайно чувствителен к разности напряжений, подаваемых между его инвертирующим и неинвертирующим входами (дифференциальное входное напряжение), и нечувствителен к изменениям напряжений, подаваемых на оба входа и одинаковых по абсолютной величине и полярности (синфазное входное напряжение) . Современные ОУ имеют сравнительно сложную схемотехнику, основанную на достижениях полупроводниковой технологии [8]. Однако, как показывает опыт, разработчику электронной аппаратуры не обязательно знать все тонкости схемотехники и технологии изготовления ОУ. Вместе с тем, не зная общих принципов их построения и современной номенклатуры, трудно ожидать создания надежной электронной аппаратуры с предельным сочетанием точности, быстродействия и потребляемой мощности. Поэтому в этой главе дается общее представление о структуре основных типов ОУ, их основных параметрах и особенностях применения. 2.1. МИКРОСХЕМОТЕХНИКА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ Особенности схемотехнических решений, используемых для построения ОУ, обусловлены следующими ограничениями в технологии изготовления микросхем: большими разбросами абсолютных значений параметров элементов, микронными размерами элементов, трудностью технологической совместимости различных активных элементов, отсутствием индуктивности среди элементов микросхем. В микросхемах выгодно применять активные элементы вместо пассивных, занимающих большую площадь кристаллов. Элементы, расположенные на кристалле рядом, имеют практически одинаковые параметры. Разработчики ОУ проектируют их таким образом, чтобы в максимальной,, степени и 0 1 2 3 [ 4 ] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 |