Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 8. Integrované obvody Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 8. Integrované obvody Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."— Transkript prezentace:

1 ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 8. Integrované obvody Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2 Elektronické součástky DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKYINTEGROVANÉ OBVODY Dioda, tranzistor, tyristor, rezistor, kondenzátor Individuální použití : – vysokofrekvenční součástky – optoelektronické součástky – výkonové součástky – rychlé spínací součástky Tvořené větším množstvím součástek, zejména bipolárními tranzistory Hromadné použití : – univerzální obvody – nízká cena Analogové: vstupní i výstup. obvody pracují se spojitými veličinami v amplit. i v čase Digitální: vstupní i výstup. veličiny nabývají pouze dvou (tří) hodnot

3 Elektronické součástky Diskrétní x Integrované DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKYINTEGROVANÉ OBVODY Hlavní výhody: nižší výrobní cena při velkých sériích jednodušší řešení větších elektronických celků Hlavní nevýhody: horší špičkové parametry omezená možnost nastavovat parametry menší variabilita použití vysoká cena vývoje obvodu Hlavní výhody: lepší špičkové parametry dobrá nastavitelnost vlastností obvodů vysoká variabilita obvodů nižší cena vývoje obvodu Hlavní nevýhody: vyšší výrobní cena složitých elektronických obvodů složité řešení větších elektronických celků

4 Diskrétní součástky Diody, tranzistory, tyristory, triaky, pozistory, optoelektrické součástky,... Podle konstrukce: – s drátovými vývody – pro plošnou montáž – s masivními vývody (výkonové, VN apod.) Rezistory, kondenzátory, cívky, transformátory, konektory, přepínače, … Polovodičové součástky Pasivní součástky Podle způsobu montáže: – montáž do DPS – montáž na HIO – individuální montáž Pozn: DPS = desky plošných spojů, HIO = hybridní integrované obvody

5 Integrované součástky Monolitické integrované obvody Obvody, skládající se z tranzistorů, diod, rezistorů (příp i z kondenzátorů), vyrobených hromadnou technologií na společné polovodičové podložce (většinou Si, zřídka GaAs, zcela výjiměčně některé kombinované materiály) Třídění podle stupně integrace: Nízká integrace - SSI (Small Scale Integration) až stovky součástek na jednom chipu Střední integrace - MSI (Middle Scale Integration) – až 10 4 souč./chip Vysoká integrace – LSI (Large Scale Integration) – až 10 5 souč./chip Velmi vysoká inegrace – VLSI (Very LSI) nad 10 5 souč. /chip Mimořádně vysoká integrace – ELSI (Extremally LSI) nad 10 6 součástek/chip

6 Integrované součástky Další třídění Bipolární (Si NPN/PNP, TTL, ECL, SDL..) MOS (NMOS, CMOS – komplementární tranzistory) Speciální (GaAs, MMIO) Kombinované (BiCMOS, Podle technologie výroby:Podle hromadnosti aplikací: Univerzální obvody (Operační zesilovače, paměti, procesory,…) Aplikačně orientované s širokým použitím (Obvody pro TV, GSM, …) Zákaznické obvody

7 Integrované součástky Třídění podle typu signálu Analogové IO Zprostředkovávají styk s vnějším prostředím Pracují s veličinami spojitými v amplitudě i v čase Digitální IO Provádějí matematické operace - výpočty Do kontaktu s vnějším světem přicházejí pomocí převodníků A/D a D/A Vstupní obvody A/D převod. Výpoč. jednotka Senzor Výstupní obvody Výkonný prvek D/A převod. Elektronické zařízení Okolní příroda Digitální část zařízení Analogová část zařízení

8 Analogové integrované obvody Slouží zejména těmto funkcím: Senzory - bezprostřední styk s vnějším prostředím, převod neelektrických veličin na napětí a proud Úprava výkonových a impedančních úrovní – zesilovače nízkovýkonové, nízkošumové, výkonové, transimpedanční, zeslabovače Řízení toku analogového signálu – přepínače, spínače, filtry Stabilizace úrovní, napájecí zdroje, regulátory Transformace kmitočtu – modulátory a demodulátory, oscilátory

9 Analogové integrované obvody Bipolární technologie Si NPN/PNP P E BC N+N+ N N+N+ Utopená vrstva N ++ P SiO 2 Řez tranzistorem NPN – izoplanární struktura Topologie tranzistoru NPN – izoplanární struktura N SiO 2 N P EB C

10 Analogové integrované obvody Stavební prvky Stabilizace pracovního bodu bipolárního tranzistoru : U BE U CE IEIE ICIC IBIB U CC RCRC SE U CE = U CC – R C I C U CE ICIC teplota U CC U C0 I C0 Prac. bod (závisí na teplotě)

11 Stavební prvky AIO Stabilizace pracovního bodu trantzistoru Tranzistor T 1 stabilizuje pracovní bod tranzistoru T 2 ( oba tranzistory považujeme za shodné) U C2 I C2 U CC R C2 R C1 T1T1 T2T2 U C1 = U B1 = U B2 I C1 U B2 U CE ICIC U C1 U C2 I C2 I C1 T2T2 T1T1 I C2 - I C1 Diferenciální odpor kolektoru Poznámka: Silně je vytažena signálová cesta.

12 Stavební prvky AIO Stabilizace pracovního bodu trantzistoru Po zjednodušení vypuštěním  U B (T) dostáváme vztahy pro I C2 a U C2 : Pracovní bod závisí pouze na poměrech odporů, které lze v IO dodržet přesně  ! U C2 I C2 U CC R2R2 R1R1 T1T1 T2T2 I C1 U B2 U B1

13 Proudový zdroj – aktivní zátěž Motivace: Pro různé obvodové funkce je zapotřebí mít k dispozici zátěž, nebo zdroj s vysokým vniřtřním odporem r i. Pokud použijeme rezistor o vysoké hodnotě r i bude na něm velká ztráta: I 2 r i. Kromě toho realizace velkého odporu na IO vyžaduje velkou plochu obvodu a prodražuje jej. U CE2 I CE2 1 2 Myšlenka: Stejný diferenciální odpor r i ale vyšší proud, než v případě 2 1 I E2 I C2 +U CC R C1 T1T1 T2T2 U C2 Provedení:Schématická značka: I C2 -U CC

14 Proudový zdroj – aktivní zátěž -U CC R C1 T1T1 T2T2 U C2 Závislost I C0 na teplotě je minimální Závislost I C0 na U C2 je popsána diferenciálním odporem r C ~ 10 5  U C2 I C2 IC0IC0 UC1UC1 UCUC ICIC r C =  U C /  I C Uspořádání proudového zdroje pro opačnou polaritu s komplementárními tranzistory: +U CC

15 Lineární diferenciální stupeň Lineární obvod, zesilující rozdíl vstupních napětí a) Symetrický obvod: T 1 = T 2, R 1 = R 2 b) Symetrický rovnovážný stav: U A0 = U B0, U C0 = U D0, I 10 = I 20 Celková napětí a proudy v obvodu lze vždy vyjádřit pomocí odchylek od rovnovážného stavu  U A,  U B, …: U A = U A0 +  U A, U B = U B0 +  U B, U C = …. I 1 = I 10 +  I 1, I 2 = I 20 +  I 2, I Z = I Z0 +  I Z, …. Linearitu obvodu lze však předpokládat, pouze tehdy, když budou odchylky všech napětí a proudů  U,  I od rovnovážných hodnot dostatečně malé. -U CC výstup UAUA UBUB UCUC UDUD +U CC vstup R1R1 R2R2 T1T1 T2T2 IzIz UZUZ I1I1 I2I2 I b1 I b2

16 Diferenciální stupeň 1.Rovnovážný stav- příprava řešení U A0 U B0 U C0 U D0 +U CC -U CC R1R1 R2R2 T1T1 T2T2 I z0 U Z0 I 10 I 20 I b10 I b20 Rovnovážný stav je nelineární symetrický režim. Všechny veličiny v obvodech obou tranzistorů jsou stejné  obvod lze zjednodušit: Oba tranzistory jsou paralelně – lze je nahradit jedním s dvojnásobnými proudy Totéž platí pro oba rezistory Vlastnosti prvků: I z0 = I 0 + U Z0 /r C, I 10 = I T0 + U T0 /r C 2. Kirchoffův zákon: U Z0 + U T0 + 2I 10.R 1 /2 = 2U CC U A0 +U CC -U CC R 1 /2 2T 1 I z0 2I 10 2I b1 U Z0 U T0 U C0

17 Diferenciální stupeň 1. Rovnovážný stav- hlavní větev U A0 +U CC -U CC R 1 /2 2T 1 I z0 2I 10 2I b1 U Z0 U T0 U C0 I0I0 U Z0 2I 10 IZIZ UZUZ 2I T0 U T0 2I 10 I 2T U 2T 2I T0 U R0 2I 10 I 2T URUR U R0 Proudový zdroj2xtranzistor2xrezistor U Z0 = (2I 10 – I 0 )r c U T0 = (I 10 – I T0 )r c U R0 = I 10 R 1 ++ =2U CC Minimální proud 2I 10 = I 0 : U Z0 = 0(I 0 /2– I T0 )r c I 0 R 1 /2+ =2U CC I 10 = I 0 /2; I T0 = I 0 /2 (1+ R 1 /r c ) – 2U CC /r c Maximální proud I T0 = I 10 : 0I 10 R 1 + =2U CC I 10 = (I 0 /2)/(1+R 1 /2r c ) + U CC /(r c + R 1 /2); I T0 = I 10 (2I 10 – I 0 )r c + +

18 Diferenciální stupeň 1.Rovnovážný stav- obvod báze I 10 =  I b10 = .I s.exp[(U A0 -U Z0 )/Ut]; Ut = kT/e = 0,025 V U A0 + U CC  = U Z0 + Ut.ln(I 10 /  I s )  U Z0 + 0,6 V !! U A0 + U CC  = (2I 10 – I 0 )r c + 0,6  I 10 = I 0 /2 + (U A0 + U CC – 0,6)/(2r c ) U C0 = U CC – I 10 R 1 = U CC (1-R 1 /(2r c )) + 0,6R 1 /(2r c ) –I 0 R 1 /2 – U A0 R 1 /(2r c ) U A0 U CC R 1 /2 2T 1 I z0 2I 10 2I b10 U Z0 U C0 U R0 Definice signálové nuly Napájecí napětí s malou korekcí Pokles v důsledku minimálního proudu Změna v důsledku vstupního napětí Závěr: Proud obvodem i napětí na kolektoru velmi málo závisejí na napětí na bázích tranzistorů T 1 a T 2.

19 Diferenciální stupeň 2. Odchylky od rovnovážného stavu Budeme uvažovat pouze malé odchylky od rovnovážného stavu: U A = U A0 + u A, U B = U B0 + u B,  U C = U C0 + u C,  U D = U D0 + u D,  …. takže závislosti jednotlivých veličin mezi sebou bude možno linearizovat: atd., takže: Vlastnosti obvodu nyní popisují lineární rovnice mezi ochylkami jednotlivých veličin od rovnovážného stavu

20 Diferenciální stupeň 2. Rozklad na symetrický a antisym. režim Zavedeme dva zvláštní režimy : Symetrický režim (angl. Common mode)  : u A = u B = u A , u C = u D = u C , i 1 = i 2 = i 2 , … Antisymetrický režim (Differential mode)  : u A = -u B = u A , u C = -u D = u D , i 1 = -i 2 = i 1 , … UAUA UBUB UCUC UDUD +U CC -U CC R1R1 R2R2 T1T1 T2T2 IzIz UZUZ I1I1 I2I2 I b1 I b2 Jakýkoliv stav u A, u B, u C, u D, …, který nesplňuje uvedené podmínky symetrie lze pak rozložit na složku symetrickou a antisymetrickou: u A = u A  + u A , u B = u A  - u A , u C = u C  + u C , u D = u C  - u C , …, jejichž velikosti lze vypočítat z veličin: u A, u B, u C, u D, … : u A  = u A + u B, u A  = u A – u B, …

21 Diferenciální stupeň 2a. Lineární symetrický režim Předpokládáme, že obvod je v symetrickém rovnovážném stavu s rovnovážnými hodnotami právě vypočtenými: U A0, I b10, I 10, U C0 … Lineární režim je opět symetrický režim  použijeme zjednodušeného schématu. Pro výpočet přenosu v lineárním přiblížení použijeme právě odvozené nelineární vztahy pro nelinární režim : U C0 = f (U A0,U CC ) : Zisk stupně v symetrickém režimuVliv napájecího napětí

22 Diferenciální stupeň 2b. Lineární antisymetrický režim - schéma Opět předpokládáme, že obvod je v symetrickém rovnovážném stavu s vypočtenými rovnovážnými hodnotami: U A0, I b10, I 10, U C0 … Lineární režim  uvažujeme pouze odchylky veličin od rovnovážných hodnot. Antisymetrický režim  nutno odvodit nové zjednodušené schéma: uAuA uBuB uCuC uDuD +U CC -U CC R1R1 R2R2 T1T1 T2T2 uZuZ i1i1 i2i2 i b1 i b2 i E1 i E2 i E1 = - i E2  i Z = 0  u z = 0  U Z = U Z0 = konst. uAuA uBuB uCuC uDuD +U CC -U CC + U Z0 R1R1 R2R2 T1T1 T2T2 i1i1 i2i2 i b1 i b2 +U CC Pro lineární antisymetrický režim Stačí řešit pouze obvod jednoho z tranzistorů

23 Diferenciální stupeň 2b. Lineární antisymetrický režim - řešení Jde o zesilovač se společným emitorem v lineárním režimu proto použijeme hybridní parametry h 11e, h 21e,..: i 1  = h 21e i b1  + h 22e u C  ; u A  = h 11e i b1  + h 12e u C   h 11e i b1  ; Dále platí (2. Kirchhoffův zákon): u C  = u CC – i 1  R 1 = -i 1  R 1 ; Tak dostaneme: uAuA +U CC R1R1 T1T1 i1i1 i b1 uCuC Zisk stupně v antisymetrickém režimu Poměr zisků v symetrickém a v antisymetrickém režimu se nazývá potlačení souhlasného signálu: angl. CMRR (Common Mode Rejection Ratio) nebo:

24 Proudová zrcadla Skupina obvodů, které realizují nesymetrický proudový výstup ze symetrického obvodu Rovnovážný stav je symetrický s rovnovážnými veličinami U Z0 = U A0 -0,6; I Z0 = U Z0 /r c + I 0 ; I 10  I Z0 /2; I 4 = I 1 = I 2 ; I C = 0 Bude nás zajímat lineární režim při antisymetrickém buzení diferenciálního stupně (u A = -u B ): Na proudy I 1, I 2 mají vliv zejména U A - U Z, U B – U Z  i 1 = -i 2 jako u diferenciálního stupně Dvojice tranzistorů PNP T 3, T 4 tvoří známý proudový zdroj  i 4 = i 1 i 4 – i 2 – i C = 0  Předpoklady: T 1 = T 2, T 3 = T 4, R 1 = R 2 UBUB Proudové zrcadlo -U CC UAUA UCUC +U CC R1R1 R2R2 T1T1 T2T2 IzIz UZUZ I1I1 I2I2 I b1 I b2 T3T3 I4I4 ICIC T4T4 RLRL i C = 2.i 1

25 Posun napěťové úrovně Slouží k propojení dvou bodů s různým rovnovážným potenciálem a s maximálním přenosem odchylek napětí Posun úrovně UAUA RLRL UBUB Například: U A = U A0 + u A ; U B = U B0 + u B ; Potřebujeme: u B = u A ale U B = U A -  U  To nelze realizovat lineárním obvodem a situace je podobná jako u proudového zdroje: U U I I1I1 I2I2 Proudový zdroj (posun proudu) I UAUA UBUB Posun úrovně napětí U1U1 N diod : U C =N.U 1 UAUA UBUB IDID RSRS IDID RLRL

26 Posun napěťové úrovně II Přejdeme k malým změnám veličin: Relativní pokles změny napětí na obvodu Celková diference napětí na obvodu (závisí na teplotě) N diod : U C = N.U 1 UAUA UBUB U1U1 IDID RSRS IDID RLRL

27 Výstupní obvody Napěťový výstup Výstupní obvody s nízkým vnitřním odporem R i Dvojitý emitorový sledovač s komplementárními tranzistory pro nízké proudy Kvazikomplementární dvojité Darlingtonovo zapojení pro vysoké proudy U výst  U vst R i  h 11e /[2(  +1)] +U CC U vst U výst -U CC IZIZ IZIZ U výst  U vst R i  h 11e /  2(  +1)] T1T1 T2T2 T3T3 T4T4 U vst +U CC -U CC U výst IZIZ IZIZ T1T1 T2T2 D1D1 D2D2 D1D1 D2D2 D3D3 D4D4

28 Výstupní obvody Proudový výstup Výstupní obvody s vysokým vnitřním odporem R i Komplementární dvojčinné zapojení pro nízké proudy R 1 = R 2 ; T 1  T 2 ; T 3  T 4 ; I výst = I 1 – I 2  -2  3 U vst /R 1 = -g m U vst R i  1/2h 22e = r C /2  3 … proudový zesilovací činitel tranzistorů T 3 a T 4 g m = 2  3 /R 1 … přenosová vodivost U vst +U CC -U CC I výst R2R2 R1R1 T1T1 T2T2 T3T3 T4T4 I1I1 I2I2


Stáhnout ppt "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 8. Integrované obvody Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."

Podobné prezentace


Reklamy Google