Файл: Первый билет.docx

40. Корреляция параметров элементов интегральных схем.

Важнейшим общим свойством элементов ИС всех типов является сильная корреляция параметров. Функция корреляции – отражает степень близости случайных величин или функций. Так, типичной случайной функцией времени является уличная температура. В Москве и Подмосковье она отличается незначительно (сильная корреляция), в Москве и в какой-нибудь удалённой точке земного шара эти температуры могут отличаться очень сильно (корреляция близка к нулю).

Параметры любых созданных человеком объектов, в том числе, параметры элементов ИС – это всегда случайные величины. Реальные параметры всегда, пусть незначительно, отличаются от идеальных из-за погрешностей производства. В ИС эти отличия обусловлены, в частности, несовпадением толщины слоёв полупроводника в

изготовленных элементах с идеальными заданными значениями толщины. ИС создаются на основе принципа группового изготовления, т.е. изготавливаются сразу все элементы ИС. Поэтому погрешности технологических операций скажутся на отклонении толщин слоёв и параметров всех элементов одинаково. Их параметры будут отличаться от идеала на один и тот же процент (сильная корреляция).

Пусть, например, в ИС используется делитель напряжения вида рис.

15.

Рис. 15

Главным параметром делителя является коэффициент передачи по напряжению КU = UВЫХ / UВХ = R2 / (R1 + R2) = 1 / (R1/R2 + 1). Очевидно, что этот параметр зависит не от абсолютной величины сопротивлений, а от отношения R1/R2. Поэтому, если в результате погрешностей технологии величины R1 и R2 отклонятся от идеала на один и тот же процент, главный параметр КU останется абсолютно точным.

Сильная корреляция параметров элементов ИС широко используется в разработке ИС. Отношения параметров элементов при этом являются своего рода эталонами, от которых зависят главные параметры.

55. Примеры решающих схем на ОУ (сумматор, вычитатель, интегратор, дифференциатор, нелинейные операции).

Операционный усилитель (ОУ) – одна из наиболее распространённых АИС, которая применяется как самостоятельная ИС так и в составе ИС с большой степенью интеграции. Широкое применение ОУ обусловлено их исключительной универсальностью. На ОУ могут быть построены разнообразные усилители, фильтры, корректоры

АЧХ и ФЧХ, преобразователи сигналов, генераторы сигналов различной формы. Первоначально ОУ предназначались для использования в аналоговых вычислительных устройствах. В сочетании с простейшими дополнительными элементами они способны выполнять математические операции над аналоговыми сигналами – их сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, логарифмирование и потенцирование. С этим и связано название

«операционный усилитель».

ОУ содержит 2 – 3, реже 4 дифференциальных усилительных каскада,

включённых один за другим. Этим достигается практически неограниченная величина коэффициента усиления Ku, достигающая 106 раз. Наличие дифференциального входа позволяет применять дифференциальное, инвертирующее и не инвертирующее включения.

На рис. 44 приведены схемы всех трех перечисленных вариантов включения. Здесь используется одно из двух общепринятых условных обозначений ОУ. В них инвертирующий вход помечен знаком «-» или обозначен кружком (рис. 45).

Рис. 44

Рис. 45

На ОУ переносятся все свойства содержащихся в них ДУ – высокая устойчивость к изменениям температуры и питающих напряжений, возможность различных включений, нечувствительность к синфазным входным сигналам.

Основное и уточнённое правило работы такие же, как у ДУ, (12) и (13).

Параметры узлов на ОУ легко изменяются при использовании обратной связи. Обобщённая схема усилителя с обратной связью представлена на рис. 46. Она содержит усилитель с коэффициентом усиления

Рис. 46

по напряжению Ku, часть выходного сигнала которого возвращается на вход через цепь обратной связи с коэффициентом передачи β. Если обратная связь положительная (ПОС), напряжение обратной связи Uoc во входном сумматоре складывается с входным напряжением Uвх. Если обратная связь отрицательная (ООС), эти напряжения вычитаются. Коэффициент усиления усилителя с обратной

связью Kuoc определяется формулой Блэка:

Kuoc = Ku /(1 ± β Ku) (14)

Здесь знак «+» соответствует ООС, знак «-» соответствует ПОС. На рис. 47 представлены инвертирующая (а) и не инвертирующая (б) схемы на ОУ с ООС. В обоих схемах R1 и R2 образуют делитель напряжения, через который сигнал с выхода передаётся на вход, т.е. осуществляется обратная связь. Очевидно, что в такой цепи β = R1/(R1 + R2).

Согласно (14), в не инвертирующем включении:

Kuoоc = Ku /(1 + β Ku) (15)

Так как у ОУ Ku «1 (до 106), легко выполняется условие β Ku» 1 и поэтому единицей в скобках можно пренебречь. Тогда

Kuoоc ≈ Ku / (β Ku) = 1 / β = 1 + R2/R1 (16)

Рис. 47,а Рис. 47,б

Следовательно, при достаточно большом усилении ОУ выполняются условия, при которых коэффициент усиления с ООС зависит только от отношения сопротивлений двух резисторов. При изготовлении резисторов по интегральной технологии, отношение их сопротивлений и Kuoоc будет точным и стабильным. Таким же будет и коэффициент усиления усилителя с ООС. В инвертирующем включении Kuoоc ≈ R2/R1, т.е. показатели точности и стабильности также будут очень высокими.

ООС имеет огромное значение не только в аналоговой электронике. ООС способна стабилизировать параметры самых разных систем – экономических, социальных, биологических и других. Так, некоторое подобие схемы на рис. 46 поддерживает неизменной температуру тела человека.

Применение ООС в электронных усилителях не только уточняет и стабилизирует усиление, но и уменьшает искажения сигнала, шумы, напряжение смещения Uсм.

Всё это достигается ценой уменьшения коэффициента

усиления. Последнее можно компенсировать увеличением числа усилительных каскадов (11).

Одно из полезных проявлений действия ООС заключается в возможности расширения полосы частот

усилителя, в которой обеспечивается равномерное усиление. На рис. 48 изображена АЧХ ООУ с ООС при различной глубине обратной связи. Полоса пропускания, ограниченная предельной частотой fпр, расширяется во столько же раз, во сколько уменьшается коэффициент усиления.

Рис. 48

Возможность выполнения математических операций над аналоговыми величинами (напряжениями) видна уже из выражения (12), согласно которому при дифференциальном включении осуществляется вычитание Uвх1 из Uвх2. Возможно суммирование и вычитание любого числа напряжений, умножение напряжения на коэффициент

Kuoc. В качестве примера на рис.49 приведена схема суммирования трех напряжений с одновременным умножением результата суммирования на коэффициент ≈ – 0,65.