ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 8. Integrované obvody

1. ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY8. Integrované obvody Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2. Elektronické součástky DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKY INTEGROVANÉ OBVODY Tvořené větším množstvím součástek, zejména bipolárními tranzistory Dioda, tranzistor, tyristor, rezistor, kondenzátor • Hromadné použití : • univerzální obvody • nízká cena • Individuální použití : • vysokofrekvenční součástky • optoelektronické součástky • výkonové součástky • rychlé spínací součástky 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 součástkyDiskrétní 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

4. Diskrétní součástky Polovodičové součástky Pasivní součástky Rezistory, kondenzátory, cívky, transformátory,konektory, přepínače, … Diody, tranzistory, tyristory, triaky, pozistory, optoelektrické součástky, ... • 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

5. Integrované součástkyMonolitické 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

6. Integrované součástkyDalší 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

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

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

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

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

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

13. ICE2 1 2 IC2 UCE2 Stejný diferenciální odpor ri ale vyšší proud, než v případě 1 -UCC 2 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. Myšlenka: Provedení: Schématická značka: +UCC RC1 IC2 T2 UC2 T1 IE2

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

15. +UCC výstup R1 R2 vstup UC I2 I1 UA UD T2 T1 Ib1 Ib2 UB UZ Iz -UCC 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 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.

16. +UCC +UCC R1/2 R1 R2 UC0 UC0 I10 I20 2I10 UA0 UA0 UD0 Ib20 UT0 T2 T1 2T1 Ib10 2Ib1 UZ0 Iz0 UB0 UZ0 Iz0 -UCC -UCC Diferenciální stupeň1.Rovnovážný stav- příprava řešení 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 2. Kirchoffův zákon: UZ0 + UT0 + 2I10.R1/2 = 2UCC Vlastnosti prvků: Iz0 = I0 + UZ0/rC, I10 = IT0 + UT0/rC

17. IZ I2T I2T 2I10 2I10 2I10 I0 2IT0 2IT0 UZ0 UZ UR0 UR UT0 U2T Diferenciální stupeň1.Rovnovážný stav- hlavní větev Proudový zdroj 2xtranzistor 2xrezistor +UCC UR0 R1/2 UC0 2I10 UA0 UT0 2T1 2Ib1 UZ0 Iz0 = 2UCC -UCC UZ0 = (2I10 – I0)rc + UT0 = (I10 – IT0)rc + UR0 = I10R1 = 2UCC UZ0 = 0 (I0/2– IT0)rc + I0R1/2 + Minimální proud 2I10 = I0 : I10 = I0/2; IT0 = I0/2 (1+ R1/rc) – 2UCC/rc = 2UCC 0 + I10R1 (2I10 – I0)rc + Maximální proud IT0 = I10 : I10 = (I0/2)/(1+R1/2rc) + UCC/(rc + R1/2); IT0 = I10

18. UR0 R1/2 UCC 2I10 UC0 2T1 2Ib10 UCC UA0 UZ0 Iz0 Diferenciální stupeň1.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 Závěr: Proud obvodem i napětí na kolektoru velmi málo závisejí na napětí na bázích tranzistorů T1 a T2.

19. Diferenciální stupeň2. 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

20. +UCC R1 R2 UC I1 I2 UA UD Ib2 T2 T1 Ib1 UB UZ Iz -UCC Diferenciální stupeň2. Rozklad na symetrický a antisym. režim 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, …

21. Diferenciální stupeň2a.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

22. +UCC +UCC +UCC R1 R2 uC i1 i2 R1 R2 uA uC uD ib2 T1 T2 iE1 iE2 ib1 i1 i2 uD ib2 uA T1 T2 ib1 uB uZ uB -UCC -UCC+ UZ0 Diferenciální stupeň2b. 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. Pro lineární antisymetrický režim Stačí řešit pouze obvod jednoho z tranzistorů

23. +UCC R1 uC i1 uA T1 ib1 Diferenciální stupeň2b. 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: 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)

24. R2 R1 +UCC Proudové zrcadlo T4 T3 I4 IC UC I2 I1 UA RL T2 T1 Ib1 Ib2 UZ Iz -UCC Proudová zrcadla Skupina obvodů, které realizují nesymetrický proudový výstup ze symetrického obvodu 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

25. UB Posun úrovně RL UA UB UA ID I I RL U1 ID I1 RS U I2 U N diod : UC=N.U1 UB UA Proudový zdroj (posun proudu) Posun úrovně napětí Posun napěťové úrovně Slouží k propojení dvou bodů s různým rovnovážným potenciálem a s maximálním přenosem odchylek napětí 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:

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

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

28. +UCC T3 R1 I1 T1 Ivýst Uvst T2 I2 R2 T4 -UCC Výstupní obvodyProudový výstup Výstupní obvody s vysokým vnitřním odporem Ri 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