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

Elektronické součástky DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKY INTEGROVANÉ OBVODY Tvořené větším množstvím součástek, zejména bipolárními tranzistory Dioda, tranzistor, tyristor, rezistor, kondenzátor Individuální použití : vysokofrekvenční součástky optoelektronické součástky výkonové součástky rychlé spínací součástky 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

Elektronické součástky Diskrétní x Integrované DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKY INTEGROVANÉ OBVODY 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 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

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

Třídění podle stupně integrace: 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 104 souč./chip Vysoká integrace – LSI (Large Scale Integration) – až 105 souč./chip Velmi vysoká inegrace – VLSI (Very LSI) nad 105 souč. /chip Mimořádně vysoká integrace – ELSI (Extremally LSI) nad 106 součástek/chip

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

Elektronické zařízení Digitální část zařízení Analogová část zařízení 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

Slouží zejména těmto funkcím: 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

Analogové integrované obvody Bipolární technologie Si NPN/PNP Utopená vrstva N++ P SiO2 Řez tranzistorem NPN – izoplanární struktura N SiO2 P E B C Topologie tranzistoru NPN – izoplanární struktura

Stabilizace pracovního bodu bipolárního tranzistoru : Analogové integrované obvody Stavební prvky Stabilizace pracovního bodu bipolárního tranzistoru : UBE UCE IE IC IB UCC RC SE UCE = UCC – RCIC UCE IC teplota UCC UC0 IC0 Prac. bod (závisí na teplotě)

Diferenciální odpor kolektoru Stavební prvky AIO Stabilizace pracovního bodu trantzistoru Tranzistor T1 stabilizuje pracovní bod tranzistoru T2 (oba tranzistory považujeme za shodné) UCC RC1 RC2 UCE IC UC1 UC2 IC2 IC1 T2 T1 IC2- IC1 Diferenciální odpor kolektoru IC1 IC2 UC1= UB1= UB2 T2 UC2 T1 UB2 Poznámka: Silně je vytažena signálová cesta.

Po zjednodušení vypuštěním UB(T) dostáváme vztahy pro IC2 a UC2: Stavební prvky AIO Stabilizace pracovního bodu trantzistoru UC2 IC2 UCC R2 R1 T1 T2 IC1 UB2 UB1 Po zjednodušení vypuštěním UB(T) dostáváme vztahy pro IC2 a UC2: Pracovní bod závisí pouze na poměrech odporů, které lze v IO dodržet přesně !

Proudový zdroj – aktivní zátěž Motivace: Pro různé obvodové funkce je zapotřebí mít k dispozici zátěž, nebo zdroj s vysokým vniřtřním odporem ri. Pokud použijeme rezistor o vysoké hodnotě ri bude na něm velká ztráta: I2ri. Kromě toho realizace velkého odporu na IO vyžaduje velkou plochu obvodu a prodražuje jej. UCE2 ICE2 Myšlenka: Provedení: Schématická značka: 1 +UCC RC1 2 IC2 -UCC IC2 T2 Stejný diferenciální odpor ri ale vyšší proud, než v případě 2 1 UC2 T1 IE2

Proudový zdroj – aktivní zátěž UC2 IC2 IC0 UC1 UC IC rC = UC/ IC Závislost IC0 na teplotě je minimální Závislost IC0 na UC2 je popsána diferenciálním odporem rC ~ 105  -UCC RC1 T1 T2 UC2 +UCC Uspořádání proudového zdroje pro opačnou polaritu s komplementárními tranzistory:

Lineární obvod, zesilující rozdíl vstupních napětí Lineární diferenciální stupeň Lineární obvod, zesilující rozdíl vstupních napětí a) Symetrický obvod: T1 = T2, R1 = R2 b) Symetrický rovnovážný stav: UA0 = UB0, UC0 = UD0, I10 = I20 -UCC výstup UA UB UC UD +UCC vstup R1 R2 T1 T2 Iz UZ I1 I2 Ib1 Ib2 Celková napětí a proudy v obvodu lze vždy vyjádřit pomocí odchylek od rovnovážného stavu UA, UB, …: UA = UA0 + UA, UB = UB0 + UB, UC = …. I1 = I10 + I1, I2 = I20 + I2, IZ = IZ0 + IZ, …. Linearitu obvodu lze však předpokládat, pouze tehdy, když budou odchylky všech napětí a proudů U, I od rovnovážných hodnot dostatečně malé.

Totéž platí pro oba rezistory Diferenciální stupeň 1.Rovnovážný stav- příprava řešení Rovnovážný stav je nelineární symetrický režim. Všechny veličiny v obvodech obou tranzistorů jsou stejné  obvod lze zjednodušit: UA0 UB0 UC0 UD0 +UCC -UCC R1 R2 T1 T2 Iz0 UZ0 I10 I20 Ib10 Ib20 UA0 +UCC -UCC R1/2 2T1 Iz0 2I10 2Ib1 UZ0 UT0 UC0 Oba tranzistory jsou paralelně – lze je nahradit jedním s dvojnásobnými proudy Totéž platí pro oba rezistory 2. Kirchoffův zákon: UZ0 + UT0 + 2I10.R1/2 = 2UCC Vlastnosti prvků: Iz0 = I0 + UZ0/rC, I10 = IT0 + UT0/rC

Diferenciální stupeň 1. Rovnovážný stav- hlavní větev Proudový zdroj 2xtranzistor 2xrezistor +UCC I0 UZ0 2I10 IZ UZ 2IT0 UR0 2I10 I2T UR 2IT0 UT0 2I10 I2T U2T UR0 R1/2 UC0 2I10 UA0 UT0 2T1 2Ib1 UZ0 Iz0 -UCC UZ0 = (2I10 – I0)rc + UT0 = (I10 – IT0)rc + UR0 = I10R1 = 2UCC UZ0 = 0 + (I0/2– IT0)rc + I0R1/2 = 2UCC Minimální proud 2I10 = I0 : I10 = I0/2; IT0 = I0/2 (1+ R1/rc) – 2UCC/rc (2I10 – I0)rc + + I10R1 = 2UCC Maximální proud IT0 = I10 : I10 = (I0/2)/(1+R1/2rc) + UCC/(rc + R1/2); IT0 = I10

Diferenciální stupeň 1.Rovnovážný stav- obvod báze I10 = Ib10 = .Is.exp[(UA0-UZ0)/Ut]; Ut = kT/e = 0,025 V UA0 + UCC = UZ0 + Ut.ln(I10/ Is)  UZ0 + 0,6 V !! UA0 + UCC = (2I10 – I0)rc + 0,6  I10 = I0/2 + (UA0 + UCC – 0,6)/(2rc) UC0 = UCC – I10R1 = UCC(1-R1/(2rc)) + 0,6R1/(2rc) –I0R1/2 – UA0R1/(2rc) Napájecí napětí s malou korekcí Definice signálové nuly Pokles v důsledku minimálního proudu Změna v důsledku vstupního napětí UA0 UCC R1/2 2T1 Iz0 2I10 2Ib10 UZ0 UC0 UR0 Závěr: Proud obvodem i napětí na kolektoru velmi málo závisejí na napětí na bázích tranzistorů T1 a T2.

Diferenciální stupeň 2. Odchylky od rovnovážného stavu Budeme uvažovat pouze malé odchylky od rovnovážného stavu: UA = UA0 + uA, UB = UB0 + uB, UC = UC0 + uC, UD = UD0 + uD, …. takže závislosti jednotlivých veličin mezi sebou bude možno linearizovat: atd., takže: Vlastnosti obvodu nyní popisují lineární rovnice mezi ochylkami jednotlivých veličin od rovnovážného stavu

Diferenciální stupeň 2. Rozklad na symetrický a antisym. režim UA UB UC UD +UCC -UCC R1 R2 T1 T2 Iz UZ I1 I2 Ib1 Ib2 Zavedeme dva zvláštní režimy: Symetrický režim (angl. Common mode) : uA = uB = uA, uC = uD = uC, i1 = i2 = i2, … Antisymetrický režim (Differential mode) : uA = -uB = uA, uC = -uD = uD, i1 = -i2 = i1, … Jakýkoliv stav uA, uB, uC, uD, …, který nesplňuje uvedené podmínky symetrie lze pak rozložit na složku symetrickou a antisymetrickou: uA = uA + uA, uB = uA - uA, uC = uC + uC, uD = uC - uC, …, jejichž velikosti lze vypočítat z veličin: uA, uB, uC, uD, … : uA = uA + uB, uA = uA – uB, …

Zisk stupně v symetrickém režimu Vliv napájecího napětí Diferenciální stupeň 2a. Lineární symetrický režim Předpokládáme, že obvod je v symetrickém rovnovážném stavu s rovnovážnými hodnotami právě vypočtenými: UA0, Ib10, I10, UC0 … Lineární režim je opět symetrický režim  použijeme zjednodušeného schématu. Pro výpočet přenosu v lineárním přiblížení použijeme právě odvozené nelineární vztahy pro nelinární režim : UC0 = f (UA0,UCC) : Zisk stupně v symetrickém režimu Vliv napájecího napětí

Diferenciální stupeň 2b. Lineární antisymetrický režim - schéma Opět předpokládáme, že obvod je v symetrickém rovnovážném stavu s vypočtenými rovnovážnými hodnotami: UA0, Ib10, I10, UC0 … Lineární režim  uvažujeme pouze odchylky veličin od rovnovážných hodnot. Antisymetrický režim  nutno odvodit nové zjednodušené schéma: iE1 = - iE2  iZ = 0  uz = 0  UZ = UZ0 = konst. uA uB uC uD +UCC -UCC R1 R2 T1 T2 uZ i1 i2 ib1 ib2 iE1 iE2 uA uB uC uD +UCC -UCC+ UZ0 R1 R2 T1 T2 i1 i2 ib1 ib2 Pro lineární antisymetrický režim Stačí řešit pouze obvod jednoho z tranzistorů

Diferenciální stupeň 2b. Lineární antisymetrický režim - řešení Jde o zesilovač se společným emitorem v lineárním režimu proto použijeme hybridní parametry h11e, h21e, ..: i1 = h21eib1 + h22euC; uA = h11eib1 + h12euC  h11eib1; Dále platí (2. Kirchhoffův zákon): uC = uCC – i1R1 = -i1R1; Tak dostaneme: uA +UCC R1 T1 i1 ib1 uC Zisk stupně v antisymetrickém režimu Poměr zisků v symetrickém a v antisymetrickém režimu se nazývá nebo: potlačení souhlasného signálu: angl. CMRR (Common Mode Rejection Ratio)

Proudová zrcadla Skupina obvodů, které realizují nesymetrický proudový výstup ze symetrického obvodu Proudové zrcadlo -UCC UA UC +UCC R1 R2 T1 T2 Iz UZ I1 I2 Ib1 Ib2 T3 I4 IC T4 RL Předpoklady: T1 = T2, T3 = T4, R1 = R2 Rovnovážný stav je symetrický s rovnovážnými veličinami UZ0 = UA0-0,6; IZ0 = UZ0/rc + I0; I10  IZ0/2; I4 = I1 = I2; IC = 0 Bude nás zajímat lineární režim při antisymetrickém buzení diferenciálního stupně (uA = -uB): Na proudy I1, I2 mají vliv zejména UA- UZ, UB – UZ  i1 = -i2 jako u diferenciálního stupně Dvojice tranzistorů PNP T3, T4 tvoří známý proudový zdroj  i4 = i1 i4 – i2 – iC = 0  UB iC = 2.i1

Proudový zdroj (posun proudu) Posun napěťové úrovně Slouží k propojení dvou bodů s různým rovnovážným potenciálem a s maximálním přenosem odchylek napětí Posun úrovně UA RL UB Například: UA = UA0 + uA; UB = UB0 + uB; Potřebujeme: uB = uA ale UB = UA - U  To nelze realizovat lineárním obvodem a situace je podobná jako u proudového zdroje: U1 N diod : UC=N.U1 UA UB ID RS RL U I I1 I2 Proudový zdroj (posun proudu) UA UB Posun úrovně napětí

Posun napěťové úrovně II N diod : UC= N.U1 UA UB U1 ID RS RL Přejdeme k malým změnám veličin: Relativní pokles změny napětí na obvodu Celková diference napětí na obvodu (závisí na teplotě)

Výstupní obvody Napěťový výstup Výstupní obvody s nízkým vnitřním odporem Ri Uvst +UCC -UCC Uvýst IZ T1 T2 D1 D2 +UCC Uvst Uvýst -UCC IZ Uvýst  Uvst Ri  h11e/[2(+1)] Uvýst  Uvst Ri  h11e/ [2(+1)] T1 D1 D2 T2 D3 T4 D4 T3 Dvojitý emitorový sledovač s komplementárními tranzistory pro nízké proudy Kvazikomplementární dvojité Darlingtonovo zapojení pro vysoké proudy

Výstupní obvody Proudový výstup Výstupní obvody s vysokým vnitřním odporem Ri Uvst +UCC -UCC Ivýst R2 R1 T1 T2 T3 T4 I1 I2 Komplementární dvojčinné zapojení pro nízké proudy R1 = R2; T1  T2; T3  T4; Ivýst = I1 – I2  -23Uvst/R1 = -gmUvst Ri  1/2h22e = rC/2 3 … proudový zesilovací činitel tranzistorů T3 a T4 gm = 23/R1 … přenosová vodivost