Аналоговые интегральные схемы

Скачать DjVu (4,92 МБ)

Описание

Перевод с английского A. Б. Перевезенцева, под редакцией канд. техн. наук B. Д. Вернера

В книге профессора Калифорнийского университета (США) рассмотрены физические, технологически! и схемотехнические принципы проектирования и производства аналоговых ИС. Уровень изложения материала соответствует современным достижениям микроэлектроники. Последовательно описаны методы изготовлеиия и структура ИС, интегральные схемы источников тока, дифференциальных и операционных усилителей, компараторов, микросхемы специального назначения.

Для студентов, аспирантов и преподавателей вузов по специальностям электроника, радиотехника и связь, а также специалистов соответствующих отраслей.

ISBN 0-13-032772-7 (англ.)

От редактора перевода

Широкое внедрение вычислительной техники во все отрасли народного хозяйства в значительной степени определяет прогресс общественного производства. В свою очередь интенсивное расширение сферы применения ЭВМ заставляет специалистов в различных областях техники обратиться к изучению теоретических положений микроэлектроники.

В основе дальнейшего совершенствования вычислительной техники лежит развитие микроэлектроники в целом, а также разработка и внедрение микросхем различной степени интеграции. Появление микропроцессорных больших интегральных схем (БИС) позволило решить задачу цифровой обработки сигналов при высоких технико-экономических показателях, т. е. при малых габаритах, небольшой массе, малой мощности потребления энергии и низкой стоимости. Повышение технического уровня автоматических систем управления, средств связи, робототехниче-ских систе'м требует, чтобы аналоговая обработка сигналов также осуществлялась при условии технической целесообразности применения. Опыт проектирования систем сбора и обработки информации, в основу которых положены различные формы сопряжения датчиков и приемников информации, показывает, что затраты аппаратных средств, необходимых для реализации системы сопряжения объекта с микроЭВМ, значительно превышают объем аппаратуры самой микроЭВМ.

Существующее в настоящее время противоречие между характеристиками средств цифровой и аналоговой обработки сигналов разрешается оптимальным соотношением объемов цифровой и аналоговой частей в пределах конкретной системы сбора и обработки информации. В то же время разрешению этого противоречия посвящено целое направление микроэлектроники — создание элементов систем, которые предназначены для аналоговой обработки сигналов при управлении реальным объектом. С развитием интегральной технологии методы расчета и применения аналоговых ИС становятся действенным орудием в руках разработчиков систем автоматического управления. Проектирование элементов систем требует от инженера глубоких знаний в области как создания, так и применения аппаратных средств аналоговой обработки сигналов.

Из вышесказанного следует, что необычайно важное значение имеет своевременное издание книг, в которых подробно, четко и в доступной форме объясняются основные теоретические положения и практические выводы, касающиеся применения аналоговых ИС. К таким изданиям относится предла1аемая вниманию советского читателя книга профессора Калифорнийского университета (США) Сидни Соклофа.

Книга посвящена современным способам анализа, проектирования и применения аналоговых интегральных схем. Каждая из рассмотренных в ней тем является в настоящее время предметом специального исследования, но соединение в одной книге результатов исследований в различных направлениях аналоговой микросхемотехники в значительной степени способствует пониманию изучаемой проблемы. Именно всесторонний подход к изложению поставленной задачи и способов ее решения для каждой конкретной рассмотренной здесь проблемы выгодно отличает данную книгу от других изданий, как отечественных, так и зарубежных.

В настоящее время в технической литературе многостороннему подходу к методам проектирования аналоговых средств вычислительной техники уделяется явно недостаточное внимание. Материал книги построен таким образом, что всюду, где это возможно, просматривается связь между технологией изготовления и методами проектирования аппаратных средств. Наряду с общими вопросами аналоговой обработки сигналов, необходимыми для изучения проблемы в целом, приводятся конкретные примеры, иллюстрирующие возможные варианты технической реализации.

Материал первых глав, посвященный технологии производства изделий микроэлектроники, изложен весьма компактно — приведены только те сведения, которые необходимы для понимания причин ограничения возможностей аналоговых приборов, что очень важно при проектировании систем сбора и обработки информации. Вместе с тем сохранена достаточная теоретическая база, которая позволяет применять формализованный подход при учете особенностей аналоговых приборов, построенных с использованием различных технологических приемов.

Большое внимание автор уделил комплексу проблем, связанных с проектированием, производством и применением операционных усилителей (ОУ). Традиционно ОУ являются базовыми элементами для решения целого ряда задач обработки аналоговых сигналов В настоящее время опубликовано большое количество работ, посвященных вопросам проектирования и применения ОУ, однако в данной книге автор более удачно раскрыл смысл реализации технических решений на основе ОУ.

Достаточно подробно в книге изложены проблемы, связанные с построением узлов аналоговой обработки сигналов: компараторов напряжения, стабилизаторов напряжения и тока, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Рассмотрен ряд применений аналоговых ИС в радиоэлектронике.

В тексте книги в формулах встречается обозначение аргумента комплексного числа в виде Z. ф> где ср = arctg (5/а, а и Р — действительная и мнимая части комплексного числа.

В целом книга будет полезна как разработчикам систем сбора и обработки информации, так и широкому кругу специалистов по микроэлектронике, автоматике и вычислительной технике. Однако наибольшая ценность данной книги в подробном, методически последовательном изложении материала: от словесного определения к математическому и графическому представлению большинства теоретических проблем, которые встречаются при обработке аналоговых сигналов. Поэтому книга будет полезна студентам и аспирантам, специализирующимся в области вычислительной техники.

Последовательное изложение фундаментальных теоретических положений и методов построения аппаратных средств аналоговой обработки сигналов, простота и изящество изложения материала позволяют рекомендовать эту книгу в качестве учебного пособия по курсу аналоговой вычислительной техники. Она будет полезна и специалистам других специальностей, так как круг лиц, занимающихся аналоговой интегральной техникой, непрерывно расширяется.

В. Д. Вернер
Ноябрь 1987 г.

Предисловие

Данная книга посвящена вопросам изготовления, расчета, проектирования и применения аналоговых ИС. В книге достаточно материала для курса, рассчитанного на два семестра обучения в средних специальных и высших учебных заведениях. Для курса, рассчитанного на один семестр, можно рекомендовать гл. 4—8.Если позволяет время, то желательно включить в курс первую часть гл. 3, посвященную источникам тока, а также приложения Б и В. В двухсеместровом курсе электроники, рассчитанном на изучение как цифровых, так и аналоговых ИС, книга может быть использована в той части, которая посвящена аналоговым приборам. Материал первых двух глав, в которых рассматриваются вопросы изготовления ИС и характеристики полупроводниковых приборов, является общим как для аналоговых, так и для цифровых ИС и, таким образом, может быть использован при изучении обоих типов ИС. В конце каждой главы (кроме гл. 8) приводится ряд задач. При решении многих задач может оказаться полезной ЭВМ, а в некоторых задачах ее применение необходимо; такие задачи отмечены звездочкой. В конце каждой главы приводится список литературы для дополнительного изучения материала. Перед изучением книги рекомендуется прослушать вводный курс анализа электронных схем.

В гл. 1 рассматриваются основные процессы изготовления различных полупроводниковых приборов, причем особое внимание обращено на процессы, которые используются при изготовлении ИС. Описываются процессы выращивания кристаллов, подготовки кремниевых пластин для обработки, диффузии, ионного легирования, окисления, фотолитографии, металлизации, химического осаждения из газовой фазы, включая зпитаксию.

В гл. 2 показано, как в результате последовательного выполнения процессов, описанных в гл. 1, изготавливаются полупроводниковые приборы и, в частности, ИС. Проведен анализ основных характеристик рд-переходов и выявлены преимущества использования эпитаксиальных структур. После изложения методов, используемых для изоляции элементов на кристалле ИС, приведены последовательности технологических операций, которые необходимы для изготовления диодов, биполярных транзисторов, полевых транзисторов с рп-переходом, МОП-транзисторов. Дано общее представление о процессе производства и характеристиках различных приборов, таких, как при- и рпр-транзисторы, полевые транзисторы с pn-переходом, МОП-транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы. Обсуждаются также вопросы, связанные с размерами кристалла, сложностью реализуемой на нем схемы, отводом тепла.

В гл. 3 и 4 исследуется внутренняя структура различных электронных схем, встречающихся во многих типах аналоговых ИС. В первой части гл. 3 рассматриваются различные типы источников постоянного тока — одного из основных элементов многих ИС. Во второй части исследуются источники напряжения с низким входным сопротивлением, а последняя часть дает представление об источниках опорного напряжения с температурной компенсацией. Гл. 4 посвящена дифференциальным усилителям. Вопросы проектирования дифференциальных усилителей на биполярных транзисторах даны в первой части этой главы, затем рассматриваются дифференциальные усилители на полевых транзисторах с рп-переходом и на МОП-транзисторах. Схемы активной нагрузки тесно связаны со схемотехникой дифференциальных усилителей. Анализ этих схем проведен в конце гл. 4, причем рассмотрены схемы активной нагрузки как на биполярных, так и на полевых транзисторах.

Самый распространенный тип аналоговых ИС — операционные усилители, которым посвящены гл. 5 и 6. Гл. 5 начинается с анализа схемы «идеального» ОУ с обратной связью. Затем рассматриваются характеристики неидеального ОУ: входное напряжение смещения, входной ток смещения, входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления синфазного сигнала, шумовые характеристики усилителя и влияние на его работу шумов во внешних резисторах. Как и в любой системе с обратной связью, важным является вопрос устойчивости работы усилителя с обратной связью. Этот вопрос также рассматривается в гл. 5 наряду с изложением методов коррекции частотной характеристики, которая необходима для обеспечения запаса устойчивости. Далее в этой главе представлено большое количество примеров применения ОУ. Одной из важных областей применения ОУ являются активные фильтры, которым посвящен материал заключительной части главы. Здесь же кратко рассмотрены фильтры на переключаемых конденсаторах.

Гл. 5 в основном направлена на изучение применений ОУ во внешних схемах; основное внимание гл. 6 уделено внутренней схемотехнике ОУ. Сначала исследуется базовая внутренняя схема ОУ и проводится обобщенный анализ частотной характеристики усилителя без обратной связи, включая частотный анализ единичного усиления. Далее исследуются характеристики «большогосигнала», такие, как скорость нарастания выходного напряжения и ширина полосы пропускания при максимальной мощности. Затем в качестве примеров проведен анализ нескольких внутренних схем ОУ. Он включает в себя оценку смещения усилителя по постоянному току, малосигнального коэффициента усиления по напряжению каждого каскада и всего усилителя в целом и некоторые другие характеристики, такие, как коэффициент ослабления синфазного сигнала, коэффициент ослабления помех из-за нестабильности источника питания, частотная характеристика ОУ без обратной связи, эквивалентные входные шумовые напряжение и ток. Одной из важных разновидностей ОУ являются усилители на полевых транзисторах (только во входном каскаде или во всей схеме); им посвящена заключительная часть гл. 6, где представлен ряд схем на полевых фанзисторах с ря-перехо-дом и на МОП-транзисторах.

Наиболее близким к ОУ типом ИС является компаратор напряжения. В гл. 7 подробно рассмотрены его основные характеристики и проведен сравнительный анализ с ОУ. Затем в качестве примера приведено несколько компараторов напряжения. Особое внимание уделяется одному из основных параметров компаратора напряжения — времени переключения; приведены методы сокращения этого времени. Использование комплементарных МОП-транзисторов в компараторах в ряде случаев дает преимущества, особенно там, где необходимы низкая потребляемая мощность и повышенная степень интеграции. КМОП-инверторы и КМОП-компараторы рассматриваются в конце данной главы.

Самый распространенный тип аналоговых ИС — это ОУ, второе место по распространению занимают компараторы напряжения. В то же время существует множество других типов аналоговых ИС. Этим схемам посвящена гл. 8, в которой кратко рассматриваются некоторые из них, такие, как стабилизаторы напряжения, усилители мощности, видеоусилители. Затем кратко описаны ИС, которые применяются в различных областях: связь, управление, обработка сигналов, оптоэлектроника, цифровые системы, интерфейсы компьютеров.

Сидни Соклоф