Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ конструктивных особенностей аналоговых и аналого - цифровых БМК 9
1.1. Введение 9
1.2. Анализ конструктивных особенностей аналоговых БМК 9
1.3. Анализ конструктивных особенностей аналого - цифровых БМК 14
Выводы 23
Постановка задачи 23
Глава 2. Комплексная функция аналого - цифрового микроэлектронного устройства 25
2.1. Введение 25
2.2. Элементарная функция усиления 26
2.3. Элементарная аналоговая функция сравнения 31
2.4. Комплексная функция коммутации 33
2.5. Функции управления и хранения 35
2.6. Элементарная функция эталонов 36
2.7. Комплексная функция преобразования 40
2.7.1. Цифроаналоговые преобразователи 40
2.7.2. Аналого - цифровые преобразователи 44
2.8. Функции аналого - цифровых микроэлектронных устройств 54
Выводы 59
Глава 3. Методика разработки конструкции аналого - цифровых базовых матричных кристаллов 60
3.1. Введение 60
3.2. Относительный коэффициент использования функциональных элементов. 61
3.3. Оценка эффективности компонентного состава аналого - цифровых базовых матричных кристаллов 63
3.4. Анализ конструкции компонентного состава аналого - цифровых базовых
матричных кристаллов 66
Выводы 77
Глава 4. Анализ эффективности компонентного состава аналоге - цифровых БМК . 79
4.1. Введение 79
4.2. Анализ способов построения аналоговых элементарных функций 80
4.2.1. Анализ способов реализации элементарной функции усиления . 80
4.2.2. Анализ способов реализации элементарной функции сравнения 100
4.2.3. Анализ способов реализации элементарной функции эталонов... 104
4.3. Анализ эффективности конструкции аналоговых компонентов БМК 108
4.4. Анализ эффективности конструкции цифровых компонентов БМК 118
Выводы 124
Глава 5. Реализация аналоге - цифровых устройств на основе базовых матричных кристаллов 126
5.1. Введение 126
5.2. Библиотека функциональных элементов АЦ БМК 126
5.2.1. Библиотека аналоговых функциональных элементов 127
5.2.2. Библиотека цифровых функциональных элементов 130
5.3. Реализация АЦ МЭУ различных типов на основе АЦ БМК 133
5.4. Маршрут проектирования аналоге - цифровых микроэлектронных устройств на основе аналоге - цифровых БМК 144
Выводы 147
Заключение 148
Литература
- Анализ конструктивных особенностей аналого - цифровых БМК
- Элементарная аналоговая функция сравнения
- Оценка эффективности компонентного состава аналого - цифровых базовых матричных кристаллов
- Анализ способов реализации элементарной функции усиления .
Введение к работе
Актуальность темы
Основная часть современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) у нас в стране и за рубежом разрабатывается на основе больших интегральных схем (БИС), имеющих в своём составе функционально законченные узлы и устройства [1 - 3]. В качестве примера такого устройства можно привести однокристальный БиКМОП приёмник в стандарте FDM для систем ADSL, описанный в статье [4]. Эта микросхема является законченным аналоге - цифровым микроэлектронным устройством (АЦ МЭУ), имеющим в своём составе 14-ти разрядный ЦАП, фильтр третьего порядка, аттенюатор, приёмник и передатчик. По мере роста степени интеграции и развития технологии производства ИС у разработчиков РЭА появилась возможность создавать сложные, зачастую уникальные системы, интегрируя их на одном кристалле, улучшая их технические характеристики и снижая стоимость устройств, что в свою очередь требует новых подходов при их разработке [5 -7].
Одним из возможных путей ускорения разработки и удешевления производства специализированных (полузаказных) микросхем является реализация их на основе базовых матричных кристаллов (БМК). Другой путь -применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Сегодня современные ПЛИС на базе цифровых вентильных матриц с конфигурационным ОЗУ фирм XILINX, ALTERA, AMTEL, ACTEL практически вытеснили цифровые БМК объёмом до 40 тысяч вентилей [8 - 10]. Вместе с тем, появившиеся в последние годы аналоговые БИС с программируемой конфигурацией (electrically programmable analog circuits (ЕРAC)) пока имеют существенные ограничения по номенклатуре и характеристикам реализуемых на их основе аналоговых узлов АЦ МЭУ и по этой причине малопригодны для реализации на их основе законченных АЦ МЭУ [11,12].
Поэтому аналоге - цифровые базовые матричные кристаллы (АЦ БМК) является в настоящее время наиболее перспективной элементной базой для быстрой и экономически эффективной реализации элементов и устройств современной РЭА.
В отличие от цифровых БМК, проблемы конструирования, разработки и изготовления которых достаточно изучены [13 - 15] и практически решены, вопросы выбора и оптимизации конструкции АЦ БМК в научно - технической литературе практически не затронуты. Вместе с тем определение конструкции АЦ БМК и оптимизация его элементного состава являются наиболее ответственными этапами разработки, так как реализация АЦ МЭУ на основе АЦ БМК во многом определяется конструкцией кристалла.
Цель и задачи диссертации
Целью диссертации является разработка методов и средств проектирования аналога - цифровых БМК, предназначенных для реализации на их основе однотипных микроэлектронных устройств.
Предложенные в диссертации методы позволяют решать следующие задачи: проектировать конструкцию аналога - цифровых базовых матричных кристаллов в соответствии с назначением устройств, для реализации которых создаются АЦ БМК; формировать компонентный компонентный состав аналога - цифровых базовых матричных кристаллов с учётом специфики устройств реализуемых на их основе.
Разработанные в ходе выполнения диссертации инженерные методы и средства проектирования позволяют: разрабатывать конструкцию и компонентный состав аналога - цифровых базовых матричных кристаллов; проектировать и изготавливать аналога - цифровые микроэлектронные устройства, сокращая сроки проектирования и разработки более чем в три раза, стоимость в четыре раза, по сравнению со специализированными БИС.
Основные положения, выносимые на защиту: классификация аналого - цифровых микроэлектронных устройств по функциональным признакам, методика формирования комплексных функций (КФ) аналого - цифровых микроэлектронных устройств и разбиения КФ на элементарные функции (ЭФ); методика разработки конструкции аналого - цифровых базовых матричных кристаллов; критерии формирования компонентного состава аналого - цифрового базового матричного кристалла, способы формирования целевых функций для оценки эффективности этого состава; методика и результаты выбора компонентного состава аналого - цифровых базовых матричных кристаллов ; результаты реализации аналого - цифровых микроэлектронных устройств на основе аналого - цифровых базовых матричных кристаллов.
Научная новизна диссертации
На основе области применения разработана методика проектирования конструкции аналого - цифрового базового матричного кристалла учитывающая специфику его применения;
Введено понятие комплексной функции аналого — цифрового микроэлектронного устройства, проведено разбиение КФ до уровня элементарных аналоговых (цифровых) функций, определены наиболее часто используемые ЭФ;
Определены критерии формирования компонентного состава и выбраны способы их объединения в целевую функцию для оптимизации компонентного состава;
На основе анализа схемотехнических реализаций наиболее часто используемых элементарных функций предложена методика оптимизации компонентного состава АЦ БМК.
Практическая ценность диссертации
Предложенные в диссертации методики разработки конструкции и компонентного состава аналого - цифровых базовых матричных кристаллов позволяют повысить качество проектирования и сокращает его сроки;
Применение при проектировании АЦ МЭУ библиотеки функциональных элементов, проект которой разработан в ходе выполнения диссертационной работы, в два раза сокращает сроки проектирования и в 1,5 раза снижает стоимость разработки;
На основе предложенных в диссертации методов и средств проектирования: а) разработаны, изготовлены и поставлены заказчикам три типа аналого - цифровых микроэлектронных устройств на основе аналого - цифрового БМК РМ111 типа «Рапира - 111»; б) разработан проект аналого - цифрового БМК РМ122 типа «Рапира - 122»; в) разработан и находится на стадии аттестации аналого - цифровой БМК - 5515ХТ1У1 типа «Руль» с напряжением питания аналоговой части ±15 В; г) на основе схемотехнических решений аналого - цифровой библиотеки БМК 5515ХТ1У1 разработаны изготовлены и поставлены заказчикам пять типов аналого - цифровых микроэлектронных устройств, что в три - четыре раза снизило массо - габаритные показатели аппаратуры и в четыре раза уменьшило её конечную стоимость.
Анализ конструктивных особенностей аналого - цифровых БМК
Для определения конструкции аналого - цифрового БМК проводится анализ и классификация микроэлектронных устройств. На основе проведённой классификации формируется множество Т = {th t2, t3-..tj...tm} однотипных устройств. Каждому множеству ставится в соответствие комплексная функция АЦ МЭУ, которая формируется на основе концепции идеализации [37 - 42].
Концепция идеализации -АЦ МЭУ заключается в том, что любое аналого - цифровое микроэлектронное устройство разрабатывается для выполнения определённой комплексной функции (КФ). Каждая реализуемая КФ разбивается на элементарные аналоговые и цифровые функции (ЭФ). Каждой ЭФ ставится в соответствие аналоговый или цифровой функциональный элемент (ФЭ), реализуемый с использованием компонентного состава базовой аналоговой или цифровой ячейки БМК. Однотипные КФ объединяются в множество однотипных функций Т = { th t2, t3...tj...tm}, состав которого служит основой для разработки конструкции кристалла.
Комплексной функцией аналого - цифрового микроэлектронного устройства F( t-,) называется основная операция выполняемая аналого -цифровым микроэлектронным устройством данного класса.
Ниже проводится анализ способов построения ЭФ и КФ, наиболее часто реализуемых в современных аналого-цифровых МЭУ. КФ определяются в виде композиции ЭФ, при выполнении которых обеспечивается реализация данного АЦ МЭУ. Композиция производится с помощью логических объединений И ( « » ) и ИЛИ (« + »). 2.2. Элементарная функция усиления
Элементарную аналоговую функцию усиления (fuo (tj) реализует операционный усилитель. Идеальный ОУ должен, обладать следующими свойствами [41,43]: высоким коэффициентом усиления по напряжению; малым напряжением смещения нуля и малыми входными токами; высоким входным и низким выходным сопротивлением; высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС); амплитудно-частотной характеристикой с наклоном -20дБ/дек в области высоких частот.
ИС операционных усилителей описываются набором параметров, значения которых варьируются в широких пределах [43 - 45]. Однако, реализация ЭФ усиления на основе АЦ БМК в таком виде избыточна. Для формирования набора устройств выполняющих ЭФ усиления необходимо определить реализуемые типы ОУ и классифицировать их по принципам построения и основным параметрам рис.2.2.
Как видно из рис. 2.2 существует две основные группы ОУ: с преобразованием сигнала и без преобразования сигнала. Реализация этих групп в виде ЭФ усиления имеет свои схемотехнические особенности и выдвигает различные требования к компонентному составу АЦ БМК. При составлении номенклатуры ОУ, реализуемых на основе БМК, возможен следующий подход: значения каждого из параметров ОУ делятся на несколько классов, как показано в табл. 2.1. При этом один тип ОУ обладает всеми параметрами первого класса, второй параметрами второго класса и т.д. Таким образом, число типов ОУ совпадает с числом классов.
Такой подход обеспечивает минимальное число типов ОУ и малую дискретность параметров, т.е. можно иметь сравнительно много классов для каждого параметра. Однако, часто при реализации АЦ МЭУ на основе БМК требуется высокое значение одного - двух параметров, а остальные не столь существенны. При этом приходится реализовывать ОУ с высокими показателями по всем параметрам, что недопустимо, так как при реализации в составе АЦ МЭУ, такой узел становится избыточным, сложным и, как следствие, менее надёжным. При формировании номенклатуры ОУ, входящих в состав, библиотеки функциональных элементов (БФЭ) АЦ БМК выгоднее, чтобы ряд ОУ из её состава включал в себя всё многообразие типов, которое образуется при различных сочетаниях параметров. Однако, если разбить каждый параметр всего на три класса, то окажется, что число различных комбинаций составит тысячи типов ОУ, что явно недопустимо. Поэтому предлагается специализировать ОУ только по наиболее важным параметрам с сочетаниями по классам наиболее часто используемыми, в рамках реализуемого множества АЦ МЭУ. Возможно, разработать ряд ОУ удовлетворяющий требованиям выдвигаемым к ЭФ усиления в рамках заданной области применения АЦ БМК. Такими параметрам являются: точностные параметры UCM , hx температурный дрейф напряжения смещения aw и температурный дрейф входных токов а!Г , которые являются определяющими для группы ОУ без преобразования сигнала; динамические параметры частота единичного усиления f0, скорость нарастания выходного напряжения VMAX и время установления выходного сигнала Ts , которые являются определяющими для группы ОУ с преобразованием сигнала.
На основании изучения требований к ОУ в различных областях их применения [43 - 45] рекомендуется применять восемь классов ОУ, различающихся по точностным параметрам (табл. 2.2), и четыре класса ОУ, различающихся по динамическим параметрам (табл. 2.3).
Элементарная аналоговая функция сравнения
Элементарная аналоговая функция сравнения {/СА (tj) ) предназначена для выполнения сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Для выполнения ЭФ сравнения применяется компаратор напряжения. По принципам построения и ряду параметров компаратор напряжения во многом аналогичен ОУ, но в отличие от ОУ он предназначен для работы в ключевом режиме и без отрицательной обратной связи [43, 47]. Отсюда следуют требования к ЭФ сравнения: высокий собственный коэффициент усиления, низкое напряжение смещения, низкий температурный дрейф напряжения смещения, высокое значение коэффициента ослабления синфазных сигналов; наличие на выходе компараторов КМОП или ТТЛ логических сигналов (рис. 2.3), для обеспечения совместимости компараторов напряжения с логическими уровнями цифровых ИС (рис. 2.5); высокая помехозащищённость, для обеспечения которой в составе компаратора применяется триггер, синхронизируемый фронтом [46], или вводится неглубокая положительная обратная связь, формирующая на переходной характеристике компаратора гистерезис с шириной петли, соизмеримой с напряжением смещения нуля (рис. 2.4). высокое быстродействие и высокая нагрузочная способность компараторов напряжения (рис. 2.6). де»
Комплексная функция коммутации ( Fsw fti) ) выполняет коммутацию непрерывных аналоговых сигналов и реализуется на основе микроэлектронных устройств- коммутаторов аналоговых сигналов. Основные способы реализации КФ коммутации приведены на рис. 2.7.
Примером реализации КФ коммутации могут служить ИС мультиплексора (демультиплексора) аналогового сигнала (рис. 2.8) и ИС однонаправленного коммутатора аналогового сигнала КС1054ХА4 (рис. 2.9), в котором для обеспечения неискажённой передачи сигнала применяется согласующий усилитель. В настоящее время выпускается широкий диапазон ИС, реализующих КФ коммутации (табл. 2.5), которые обладают обширным набором параметров. Эти параметры зависят как от схемотехнических решений, применяемых при реализации КФ коммутации, так и от технологического базиса реализации этих АЦ МЭУ. Из анализа реализации комплексной функции коммутации (рис. 2.8, 2.9) следует: основным элементом при реализации КФ коммутации является ЭФ аналогового ключа fswOi) , компонентный состав АЦ БМК и схемотехнические решения должны обеспечивать: высокое собственное сопротивление аналогового ключа в закрытом и низкое собственное сопротивление в открытом состоянии, низкие собственные паразитные ёмкости, управляемость логическими уровнями типа ТТЛ, КМОП; при реализации комплексной функции коммутации используются следующие ЭФ усиления fuu(t\ , цифровые элементарные функции хранения fj(tj) и управления focOi) / налоговые коммутаторы Наименование коммутатора Напряж, питания, В Токпотр., мкА Ток утечки, нА Ron, Ом Время включ., НС Время выключ., не Заряд перекл., пКл Макс, выходн. ток, мА Прим. Коммутаторы DG41I,DG412, DG413 +\-4,5...+\-20 1 0,25 35 175 145 10 30 Счетверённый коммутатор МАХ391,МАХ392, МАХ393 +\-2,7...+\-8 1 0,1 35 130 75 5 30 3...15 і HI-20IHS +\-5...+\-20 12...20 4000 1 50 30 40 10 20 Быстродействующий МАХ326/МАХ327 j -4,5..,+\-18 10...30 100 0,01 2500 1000 1000 1 20 Минимальный заряд переключения ADG701/ADG702 1,8...5,5 0,5 4 1,5 20 10 5 30 Быстродействующий Минимальное Ron ADG411,ADG412, ADG413 +\-15 5 0,1 0,1 17 90 60 5 30 Счетверённый коммутатор 590КН13 +V15 4000 50 50 50 50 - 20 Счетверённый коммутатор Мультиплексоры 590КН6 +\-15 - 70 300 300 300 - 20 1x8 591КНЗ +\-15 - 70 270 300 300 - 20 1x16 DG528/DG529 +\:4,5.„4А-20 5...30 2500 1 450 1000 1000 4 20 1x8Регистр - защёлка МАХ349/МАХ350 +\-2,7...+\-8 3...15 7 0,1 100 275 150 10 30 1x8 / Сдвоенный 1x4Последовательныйинтерфейс ADG426 +\-15 1 1 80 120 ПО 8 20 1x16Регистр - защёлка 2.5. Функции управления и хранения Для реализации функций хранения применяются КФ аналогового хранения и ЭФ цифрового хранения.
Узлом, реализующим КФ для аналогового хранения применяется устройство выборки - хранения (УВХ), которое предназначено для запоминания значения аналогового сигнала на протяжении заданного временного интервала [48]. В качестве примера использования УВХ можно привести аналоге - цифровые преобразователи конвейерного типа, в которых необходимо фиксировать аналоговый сигнал в течении времени преобразования. Структурная схема и принцип работы простейшего УВХ показан на рис. 2.10.
При для успешной реализации КФ для аналогового хранения необходимо обеспечить: высокое входное сопротивление устройства и низкое выходное сопротивление; малое время установление выходного сигнала; малые токи утечки всех элементов, образующих УВХ (аналоговые ключи, ОУ, конденсаторы).
Оценка эффективности компонентного состава аналого - цифровых базовых матричных кристаллов
Конструкция аналого - цифровых базовых матричных кристаллов должна обеспечивать успешную реализацию любого из однотипных аналого - цифровых устройств из состава множества Т. Для этого необходимо сформировать множества аналоговых и цифровых ячеек БМК, которые позволяют выполнять эти требования. Такими множествами являются: Аь = щ,а2,а$,...ар...ат1 - аналоговые базовые ячейки; Db = \l\,d\,d\ ,—dj,...dm J - цифровые базовые ячейки.
Такой набор называется компонентным составом аналого - цифрового базового матричного кристалла. Оценка эффективности компонентного состава БМК проводится на основе критериев эффективности.
Выбор численных значений для коэффициентов использования аналоговых и цифровых ячеек предлагается производить на основании имеющегося опыта проектирования аналого-цифровых устройств на базе БМК. При этом в качестве критерия отбора варианта аналоговой ячейки принято два граничных значения 0,3 и 0,7 которые определяют следующие требования к компонентному составу ячейки: нижнее значение введено для повышения эффективности использования ячейки и обеспечения требуемых динамических параметров ФЭ, что обеспечивается повышением коэффициента заполнения ячейки и как следствие уменьшением номиналов паразитных RC цепей, верхнее значение ограничивает степень её заполнения для сохранения требуемых точностных характеристик реализуемых аналоговых ФЭ (например, напряжения смещения и входные токи ОУ). Так как при реализации точностных параметров необходимо обеспечить высокую согласованность элементов, что достигается в том числе и за счёт ограничения степени заполнения ячейки. В качестве критерия отбора цифровой ячейки принято значение 0,5, которое позволяет обеспечить достаточную эффективность её использования и быстродействие реализуемых на её основе ФЭ за счет повышения численного значения коэффициента заполнения ячейки [62].
Оценка эффективности компонентного состава БМК и модификация компонентного состава с учетом реализуемого набора аналого-цифровых функций проводится на основе расчёта коэффициентов использования (3.2, 3.3) и целевых функций оптимизации (3.4, 3.5).
Для проведения анализа компонентного состава ряда аналоговых и цифровых базовых ячеек (рис.3.1, 3.3, 3.4) с целью оценки эффективности их использования при реализации АЦ БМК сформированы множества А - аналоговых базовых ячеек и D - цифровых базовых ячеек. На рис. ЗА приведены базовые аналоговые ячейки ах , а - АЦ БМК 5515ХТ1У1 типа «Руль», общий вид которого приведён на рис. 3.2. Аналоговая базовая ячейка типа щ состоит из 12-ти прп транзисторов, 4-х вертикальных рпр транзисторов с изолированным коллектором, 33 диффузионных резисторов с суммарным номиналом 352 кОм и конденсатора типа Si - Si3N4- А1 номиналом 11.5 пФ.
Аналоговая базовая ячейка типа а2 состоит из 8 прп транзисторов, 4 - х вертикальных рпр транзисторов с изолированным коллектором, 2-х рМОП транзисторов, которые могут использоваться в качестве боковых рпр транзисторов, 33 диффузионных резисторов с суммарным номиналом 352 кОм и конденсатора типа Si - Si3N4- А1 номиналом 11.5 пФ. Аналоговая базовая ячейка типа а4 состоит из 5 прп транзисторов, 2 - х подложечных рпр транзисторов, 2-х рМОП транзисторов, которые могут использоваться в качестве боковых рпр транзисторов, 4-х пМОП транзисторов, 10 поликремневых резисторов с суммарным номиналом 52 Юм и 2 - х конденсатора типа Si - Si3N4 - А1 номиналом 3 пФ. Аналоговая базовая ячейка типа а5 состоит из 16 прп транзисторов, 4 - х рМОП транзисторов, которые могут использоваться в качестве боковых рпр транзисторов, 8 пМОП транзисторов, 24 диффузионных резисторов с суммарным номиналом 205 кОм и 2 - х конденсаторов типа Si - Si3N4- А1 с суммарным номиналом 6 пФ. Аналоговая базовая ячейка типа а6 состоит из 12 прп транзисторов, 4-х вертикальных рпр транзисторов с изолированным коллектором, 12 пМОП транзисторов, 12 рМОП транзисторов, 26 поликремневых резисторов с суммарным номиналом 78 кОм и 2 - х конденсаторов типа Si - Si3N4 - Al с номиналом 6 пФ. БиКМОП цифровая ячейка типа ц состоит из 6 пМОП и 6 рМОП транзисторов, 2-х npn транзисторов и 2 - х резисторов номиналом 7.8 кОм. Состав ячейки позволяет реализовывать до 3 - х логических элементов типа И - НЕ (ИЛИ - НЕ) или D триггер стробируемый по фронту. КМОП цифровая ячейка типа d% состоит из 6 пМОП и 6 рМОП транзисторов. БиКМОП цифровая ячейка типа с/3 состоит из 4 пМОП и 4 рМОП транзисторов, 2-х npn транзисторов и 2 - х резисторов номиналом 7.8 кОм. Состав ячейки позволяет реализовывать до 2 - х логических элементов типа И - НЕ (ИЛИ - НЕ). БиКМОП цифровая ячейка типа d4 состоит из 4 пМОП и 4 рМОП транзисторов, npn и рпр транзисторов Состав ячейки позволяет реализовывать до 2 - х
Анализ способов реализации элементарной функции усиления .
Использование составного усилительного каскада позволяет подавлять зависимость коллекторных токов входных транзисторов в рабочей точке от разброса коэффициента усиления по току, характерного для боковых рпр - транзисторов [71, 72]. Коэффициент усиления по току рпр транзисторов VT3, VT6 , используемых во входном каскаде ОУ типа LM101A (National Semiconductor), стабилизирован за счёт увеличения их площади по отношению к токозадающим транзисторам VT4, VT5. Усиление транзисторов VT]4, VTI5 входного каскада ОУ типа цА741 (Fairchild) не контролируется, а его рабочие токи стабилизируются контуром ОС, который замыкается через токовый инвертор, образованный транзисторами VT!9, VT2o [73, 74].
Одним из основных параметров ОУ является разность входных токов смещения, природа которой определяется двумя основными факторами: технологическим разбросов компонентов ОУ и симметричностью конструкции входного каскада. При проектировании АЦ МЭУ на основе БМК разработчик не имеет возможности влиять на технологическую составляющую этого параметра, так как ограничен параметрами кристалла. Поэтому особое значение имеют схемотехнические методы уменьшения разности входных токов [75 - 80]. На рис. 4.7 показаны примеры схем, обеспечивающих внутреннюю компенсацию входных токов смещения. Все они основаны на согласовании коэффициентов усиления по току входных транзисторов и опорных транзисторов, образующих схемы смещения уровней. На рис. 4.7 а [75] ток базы входного прп - транзистора VT3 компенсируется базовым током рпр - транзистора VT/. Согласование обоих токов гарантируется наличием контура ОС, замкнутого через транзисторы VT5 и VT6. Аналогичная компенсация токов осуществляется в правой половине схемы. Схема на рис. 4.7 б [76] обеспечивает смещения обоих входных транзисторов VT9 и VTw и отслеживает общий коллекторный ток последних. Компенсацию обеспечивает контур ОС, охватывающий транзисторы VTj6, VTl7, VTl8 через опорный транзистор VT15 и диод D]. Другие способы включения вспомогательных контуров ОС показаны на рис. 4.7 в, г [77, 78].
Входной каскад ОУ может быть выведен из строя большим входным напряжением как дифференциального, так и синфазного вида. Поэтому конструкция ОУ должна обеспечивать одновременное подключение входов к одной из шин питания. Допустимое дифференциальное входное напряжение биполярного ОУ ограничено напряжением пробоя эмиттерного перехода входных транзисторов [81]. Для обеспечения защиты входного каскада от перенапряжения применяют схемы защиты. Варианты таких схем приведены на рис. 4.8. На рис. 4.8 а приведён наиболее распространённый способ, который заключается в использовании двух параллельно включённых диодов на основе перехода база - эмиттер. При использовании резисторов в эмиттерных цепях (рис. 4.8 б) диодное включение приводит к уменьшению скорости нарастания сигнала на выходе. В этом случае дифференциальное входное напряжение можно ограничить на уровне пробоя переходов база - эмиттер транзисторов защиты VTS, VT6 [66]. С другой стороны в состоянии перевозбуждения параллельное ограничение вызывает протекание больших дифференциальных входных токов. Последовательная защита входа (рис. 4.8 в), состоящая из двух диодов, включённых последовательно с эмиттерами входных транзисторов, свободна от этого недостатка, но имеет другой: увеличенные входные сдвиг и дрейф. В качестве диодов защиты в таких схемах используются переходы база - эмиттер боковых рпр - транзисторов УТю, VTn.
Анализ схемотехнических решений, применяемых при проектировании выходного каскада ОУ. Роль выходного каскада ОУ заключается в обеспечении достаточного размаха выходного напряжения или тока на выходе и в изоляции предшествующих каскадов усиления от изменяемой внешней нагрузки. В наиболее часто используемой конфигурации выходной каскад состоит из каскада усиления напряжения и выходного эмиттерного повторителя (рис. 4.9).
Выходной каскад усиления состоит из транзистора VT3, возбуждаемого сигналом, уровень которого отсчитывается от отрицательного напряжения питания ОУ, и работающего на источник тока Ірст Такая конфигурация обладает высоким достижимым усилением и постоянной крутизной gm = 1\(рт, не зависящей от размаха выходного напряжения ОУ.
В схеме на рис. 4.10 б добавлен прп - транзистор VT8. В следующей схеме (рис. 4.10 в ) вместо диода используется транзистор VTJO , обеспечивающий усиление по току [82, 83]. На рис. 4.10 г [84, 85] выходному бустеру предшествует эмиттерный повторитель VT2j. В выходном каскаде показанном на рис. 4.10 д вместо диодов Dj и D2 используются комплиментарные транзисторы VT25, VT26. Модификация на рис. 4.10 е [73] позволяет устанавливать произвольное значение рабочей точки транзистора VT29 путём изменения соотношения сопротивлений Rl7/ R}g. Выходной каскад на рис. 4.10 ж , который реализован на комплиментарных транзисторах, имеет дифференциальный вход со стороны баз транзисторов VT34, VT33 и однополярный выход, обеспечивающий усиление по току за счёт эмиттерного повторителя VT35- Модификация схемы для монолитного исполнения, которая приведена на рис. 4.10 з [86] включает токовый инвертор на транзисторах VT36, VT38, отслеживающий выходной сигнал.
Каскодная схема на транзисторах VT4h VT42 (рис. 4.10 и) предназначена для широкополосных ОУ и для ОУ с быстрым установлением. При больших и быстрых изменениях выходного напряжения ёмкость коллекторного перехода транзистора VT4i перезаряжается через низковольтный стабилитрон VT4$ и не нагружает предварительный усилительный каскад.
