|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы преимущества полупроводниковой технологии и свести к минимуму влияние ограничений, накладываемых этой технологией. Основным схемотехническим узлом аналоговых микросхем является дифференциальный усилитель (ДУ). Симметрия ДУ (рис. 2.1, а) относительно генератора постоянного тока /г делает его схему идеальной для применения в ОУ, так как ДУ усиливает рассогласование между параметрами элементов плеч VTI, R\ и VT2, R\. Вследствие этого ДУ часто называют балансным или разностным (усилитель разницы между двумя сигналами, поданными на вход ДУ). Если [/bxi = Ldjs, т. е. изменения входных сигналов совпадают по фазе и одинаковы по амплитуде, то токи в плечах ДУ постоянны, равны и fsuxi = вых2= t/n -/r?i/2. ДУ тем лучше, чем меньшее изменение At/ebix.c= 1/вых1 - f вых2 вызывает изменение I/bxi (1/вх1 = .==вх2)- В реальном ДУ из-за разбаланса плеч, т. е. разброса параметров резисторов и транзисторов, а также конечного значения выходного сопротивления генератора тока /г, при 6вх.с=вх1 = 1/вх2 имеем АС/вахфО. Отношение АС/вы.с/иш.с называется ксффициентом усиления синфазного сигнала. Если 1/вх1 -1/вх2 = 1/вх.д=70, Т. е. На вход ДУ подано дифференциальное напря->1ение 1/вх.я, то происходит перераспределение токов между плечами каскада, но сумма токов /i+/2 = /r остается постоянной. Учитывая, что I\=Ii(Qi:xp{U/(pr), а /2 = /обхр(6э.£2/Фт)> где /о - тепловой ток обратносмещенного эмиттерно-базового перехода; фтЛгТК/И 600 В-температурный потенциал, получаем /,=/г/[1+ехр(-{;вх.д/фт)] и /2=/г/11+ехр(1;вх.д/фО]- Здесь /вх.д=э.Б1-/э,Б2-Зависимости токов h и /j от б/вхд показаны на рис. 2.1, б. Крутизна ДУ, а следовательно, и его коэффициент усиления достигают максимального значения при 6вх.д=0, т. е. при очень малых входных сигналах. В этом нетрудно убедиться, определив производную dIr/dU 8х.д И прирэвняв ее нулю. Максимальное значение крутизны ДУ S=dIr/dU вхл ДЛЯ дифференциального выхода равно /г/2ф1. Следовательно, Kii - SRi=IrR\/2(p-r. Из рис. 2.1,6 видно, что в ДУ значение S близко к максимальному при I t/bx.fll = л2фт, а уже при 1/вх.д1>4фт усиление 1/вх.д практически отсутствует, так как в этом случае пере распределения токов в плечах практически ие происходит. Как внднр из выражения для Кц, его можно увеличить, увеличив ток /г и сопротивление нагрузки. Однако в первом случае увеличивается входной ток ДУ /вх = /г/2/г2,э. где AgiS-коэффи циент передачи базового тока транзистора, что нежелательно, так как уменьшается . . I-~Г-" 6о1Х 1 А z\-l/, VT1 VT2 бх  ,1. Рис. 2.1. Схема дифференциального усилителя (а) и его вольт-амперная характеристика (б)  Рис. 2.2. Схемы отражателя (a) и генератора (б) тока Рис. 2.3. Схемы смещения постоянного напряжения на стабилитроне (а) и резисторе (б) входное сопротивление ДУ. Во втором случае увеличивается площадь резисторов на кристалле и возрастает требуемое напряжение питания vt сохранения активного режима работы транзисторов VT\, VT2, что также недопустимо. Решением проблемы является замена резисторной нагрузки транзисторной. Простейшая схема транзисторной нагрузки показана на рис. 2.2, а. Эту схему называют отражателем тока, или токовым зеркалом. Ток в отражателе задается по цепи транзистора УТц. Если транзисторы идентичны, а h.2i3->-oo, то справедливо равенство иэ.ЪА = = фИп(/, к.о)=э.б£ = Фтп(Ь к.о). где Сэ.БЛ и бэ.ББ - соответственно падения напряжения на эмиттерно-базовых переходах транзисторов VT и VTg. Очевидно, что записанное равенство справедливо при Структура ДУ с активной транзисторной нагрузкой, подключаемой в точках А к Б схемы на рис. 2.2, а вместо резисторов, является основой в ОУ. Для задания тока I, в.-ДУ используются транзисторные генераторы тока (ГТ). Одна из наиболее распространенных в аналоговых микросхемах структура ГТ показана на рис. 2.2, б. По существу, это модифицированная схема отражателя тока, в которой транзистор VT заменен резистором R, а VT2 включен в цепь ОС. В{.1ходом ГТ является коллектор транзистора VT2, ток через который l2=U-ylR, где [/э Б1 =Фтп (Дк о)- Выходное сопротивление такого ГТ изменяется от 5-10 до 10 кОм в зависимости от значения /г и параметров транзисторов. Дифференциальные усилители используют на входе ОУ. В качестве промежуточных усилительных каскадов применяют либо ДУ, либо усилители, выполнен ные на транзисторе с общим эмиттером. Нагрузкой такого транзисторного усилителя, как правило, является ГТ с большим выходным сопротивлением. Для согласования уровней выходных сигналов ДУ с напряжениями смещения иа входах промежуточного усилителя в аналоговых микросхемах используют схемы сдвига уровня, выполненные на базе эмиттерных повторителей (рис. 2.3); Схема на рис. 2.3, а обеспечивает сдвиг уровня равный [/„п = t/э.Б + ст- где U„~ падение напряжения на стибилитроне. В схеме на рис. 2.3,6 tcflB =э.Б+ г и может регулироваться изменением R или 1,. Недостатками этой схемы являются большее, чем у первой,выходное сопротивление, равное ft, и меньшее быстродействие. Первая схема сдвига уровня обеспечивает низкое выходное сопротивление, равное примерно 2фт г. и часто применяется в качестве промежуточного каскада. Успехи полупроводниковой технологии заметно ослабили действие инерционности носителей заряда на быстродействие транзисторов микросхем. Это позволяет при оценке предельного быстродействия интегральных ДУ пренебрегать ттроцессами, связанными с перераспределением неосновных носителей в транзисторах, и рассматривать процесс их переключения в виде перезаряда паразитных емкостей (включая барьерные емкости р-п переходов, диффузионных резисторов и др.). В некоторых типах аналоговых микросхем (компараторах) стремятся технологическими или схемотехническими средствами устранить влияние насыщения транзисторов на быстродействие ДУ. Тогда при оценке предельного быстродействия ДУ целесообразно считать, что транзисторы ДУ не выходят из активного режима работы. При таких исходных данных ниже определены соотношения между параметрами Элементов, трком и входным сигналом ДУ, обеспечивающие получение минимумов энергий Л в и А„ (см. гл. 1) в ДУ на биполярных транзисторах и полевых с р-п переходом. После подачи на вход ДУ (рис. 2.1, а) идеального перепада дифференциального напряжения Ui изменение коллекторных (стоковых) токов вначале будем считать также идеальным перепадом, действующим в нагрузке ДУ. Инерционность транзистора, обусловленную конечным значением постоянной времени эмиттерной (стоковой) цепи т„ (.t„=I... 3 не для транзисторов, используемых в современных микросхемах), учтем далее при расчетах полного времени переключения ДУ. Тогда быстродействие ДУ как время t„ переключения дифференциального выходного напряжения от исходного значения до требуемого U7 можно рассчитать из уравнения [31] [Uo+KIrR,/2-Khfi, (1 -ехр (<„/?С.))] - [Uo-KIrR,/2 + + KlrR, (1 -exp(-<„/«iC.))] = -U,, (2.1) где Uo - исходное дифференциальное напряжение на выходе ДУ, Ci - емкость конденсатора, действующего на каждом выходе ДУ, U„ = 2(fr для ДУ на биполярных транзисторах, t/j, = 0,2 - 1 В для ДУ на полевых транзисторах, K = ih{U\/U„) - в ДУ на биполярных транзисторах, К= UUi/[Ujt - (Ui/2f] - в ДУ на палевых транзисторах. Из (2.1) получим значение t„, справедливое для безынерционных транзисторов, работающих в активной области (без насыщения): <n = ?iCiln [0,5 {I - U7/KI\R\)]~. Полезная мощность Рп, затрачиваемая источником дифференциального входного сигнала для обеспечения только тока входной цепи ДУ, Явх.п =(/«.! +Д/вх) X X(Ui + i/c„), где /„X - суммарный ток, протекающий во входных цепях ДУ, Д/вх - приращение /вх при воздействии Ui. Учитывая, что для ДУ на биполярных транзисторах Д/вх = K/r i2i3. получаем PBx.n = /i(l + A[)(t/i + t/cM) z2iS. Полная мощность Явх сигнала на входе ДУ в течение его переключения всегда больше Рвх.п вследствие действия входной емкости ДУ. Однако целью является оптимизация параметров ДУ, принятых у1ля характеристики его качества, в число которых не входит динамическая составляющая входного тока. Вместе с тем полная энергия входного сигнала ДУ могла бы стать важной характеристикой при его применении. Полезная энергия А„ затрачиваемая 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 |
|||||||||||||||||||||||