ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

8. Integrované obvody

Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

Elektronické součástky

DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKY INTEGROVANÉ 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

Elektronické součástkyDiskrétní x Integrované

DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKY INTEGROVANÉ 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

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

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

Integrované součástkyDalší 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

Integrované součástkyTřídění 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 zařízeníAnalogová část zařízení

Analogová část zařízení

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 obvodyBipolární technologie Si NPN/PNP

P

EBCN+

N

N+

Utopená vrstva N++

P

SiO2SiO2 Řez tranzistorem NPN – izoplanární struktura

Topologie tranzistoru NPN – izoplanární

struktura

N

SiO2

N

P

EBC

Analogové integrované obvodyStavební prvky

Stabilizace pracovního bodu bipolárního tranzistoru :

UBEUCE

IE

IC

IB

UCC

RC

SE UCE = UCC – RCIC

UCE

IC

tep

lota

UCCUC0

IC0

Prac. bod (závisí na teplotě)

Stavební prvky AIOStabilizace pracovního bodu trantzistoru

Tranzistor T1 stabilizuje pracovní bod tranzistoru T2

(oba tranzistory považujeme za shodné)

UC2

IC2

UCC

RC2RC1

T1

T2

UC1= UB1= UB2

IC1

UB2

UCE

IC

UC1 UC2

IC2

IC1

T2

T1

I C2-

IC

1 Diferenciální odpor kolektoru

C1C2

C1C2c II

UUr

Poznámka: Silně je vytažena signálová cesta.

Stavební prvky AIOStabilizace pracovního bodu trantzistoru

c

2

c

1

1

2

1

2CC

C2

c

1

1c

C2

1

CCC2

rR

1

rR

1RR

0,7RR

1U

U

r

R1

R

0,7

r

U

R

UI

1

c

2

c

1

1

2B

1

2CCC2

c

2BC2

1

2B

1

2CCC2

c

BC2

1

BCC

c

C1C2C1C2

BC1B2B11

B1CCC1

r

R1

r

R1

R

RTΔU0,7

R

R1UU

r

RTΔU0,7U

R

RTΔU0,7

R

R1UU

r

TΔU0,7U

R

TΔU0,7U

r

UUII

TΔU0,7UUU,R

UUI

Po zjednodušení vypuštěním UB(T) dostáváme vztahy pro IC2 a UC2:

Pracovní bod závisí pouze na poměrech odporů, které lze v IO dodržet přesně!

UC2

IC2

UCC

R2R1

T1

T2

IC1

UB2UB1

Proudový zdroj – aktivní zátěžMotivace: 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

1

2

Myšlenka:

Stejný diferenciální odpor ri ale vyšší proud, než v případě 2

1

IE2

IC2

+UCC

RC1

T1

T2UC2

Provedení: Schématická značka:

IC2

-UCC

Proudový zdroj – aktivní zátěž

-UCC

RC1

T1

T2

UC2

c

C2C0

c

C2

c

BC1

c

C1C2C1C2

r

UTI

r

U

r

TΔU0,7I

r

UUII

• Závislost IC0 na teplotě je minimální

• Závislost IC0 na UC2 je popsána diferenciálním odporem rC ~ 105

UC2

IC2

IC0

UC1

UC IC

rC = UC/ IC

Uspořádání proudového zdroje pro opačnou polaritu s komplementárními tranzistory:

+UCC

Lineární diferenciální stupeňLineární 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.

-UCC

výstup

UA

UB

UC

UD

+UCC

vstupR1 R2

T1 T2

IzUZ

I1I2

Ib1 Ib2

Diferenciální stupeň1.Rovnovážný stav- příprava řešení

UA0

UB0

UC0

UD0

+UCC

-UCC

R1 R2

T1 T2

Iz0UZ0

I10 I20

Ib10

Ib20

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: Iz0 = I0 + UZ0/rC, I10 = IT0 + UT0/rC

2. Kirchoffův zákon: UZ0 + UT0 + 2I10.R1/2 = 2UCC

c

CTCCCCCCCT rR

rIrIUIUrIIrIIRI

3

222

1

0010010010110

UA0

+UCC

-UCC

R1/2

2T1

Iz0

2I10

2Ib1

UZ0

UT0

UC0

Diferenciální stupeň1. Rovnovážný stav- hlavní větev

UA0

+UCC

-UCC

R1/2

2T1

Iz0

2I10

2Ib1

UZ0

UT0

UC0

I0

UZ0

2I10

IZ

UZ

2IT0

UT0

2I10

I2T

U2T

2IT0

UR0

2I10

I2T

UR

UR0

Proudový zdroj 2xtranzistor 2xrezistor

UZ0 = (2I10 – I0)rc UT0 = (I10 – IT0)rc UR0 = I10R1+ + = 2UCC

Minimální proud 2I10 = I0

:UZ0 = 0 (I0/2– IT0)rc I0R1/2+ = 2UCC

I10 = I0/2; IT0 = I0/2 (1+ R1/rc) – 2UCC/rc

Maximální proud IT0 = I10

:0 I10R1+ = 2UCC

I10 = (I0/2)/(1+R1/2rc) + UCC/(rc + R1/2); IT0 = I10

(2I10 – I0)rc +

+

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)

UA0

UCC

UCC

R1/2

2T1

Iz0

2I10

2Ib10

UZ0

UC0

UR0

Definice signálové nulyNapájecí napětí s malou korekcí

Po

kles

v d

ůsl

edku

m

inim

áln

ího

pro

ud

u

Zm

ěna

v d

ůsl

edku

vs

tup

níh

o n

apět

í

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:

CCCC

DB

B

DA

A

DDCC

CC

CB

B

CA

A

CC

CCCCCC

CB

B

CA

A

CCCBAC

CCBACC

uU

Uu

U

Uu

U

Uuu

U

Uu

U

Uu

U

Uu

uUuU

Uu

U

Uu

U

UUUUU

UUUUU

0000 ,...,,

,...,,

atd., takže:

Vlastnosti obvodu nyní popisují lineární rovnice mezi ochylkami jednotlivých veličin od rovnovážného stavu

Diferenciální stupeň 2. 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, …

UA

UB

UC

UD

+UCC

-UCC

R1 R2

T1 T2

IzUZ

I1 I2

Ib1

Ib2

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, …

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) :

11

:

C

1CC

C

1CCCCCAΣC

C

1

CCAΣ

C

1CΣ

CC

CCA0CC

A0

CCA0AΣC0

C

1A0

10

C

1

C

1

CCC

2rR

1D

2r

RAkdeuDuA

2rR

1

uu

2r

Ru

U

U,Ufu

U

U,UfuU

2r

RU

2

RI

2r

R0,6

2rR

1

UU

Zisk stupně v symetrickém režimu Vliv napájecího napětí

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:

uA

uB

uC

uD

+UCC

-UCC

R1 R2

T1 T2

uZ

i1 i2

ib1

ib2

iE1 iE2

iE1 = - iE2 iZ = 0 uz = 0 UZ = UZ0 = konst.

uA

uB

uC

uD

+UCC

-UCC+ UZ0

R1 R2

T1 T2

i1 i2

ib1

ib2

+UCC

Pro lineární antisymetrický

režim

Stačí řešit pouze obvod jednoho z tranzistorů

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 – i1R1 = -i1R1;

• Tak dostaneme: uA

+UCC

R1

T1

i1

ib1

uC

vst

1D

AΔDAΔ22e1

21e

11e

1CΔ

r

RβA

uAuhR1

h

h

Ru

vst

c

C

D

r

2rβ

A

ACMRR

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:

dBr

2rβ20.log

A

A20.logCMRR

vst

c

C

D

Proudová zrcadlaSkupina obvodů, které realizují nesymetrický proudový výstup ze

symetrického obvodu

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

Předpoklady: T1 = T2, T3 = T4, R1 = R2

UB

Pro

ud

ové

zrc

adlo

-UCC

UA

UC

+UCCR1 R2

T1 T2

IzUZ

I1 I2

Ib1 Ib2

T3

I4 IC

T4

RL

iC = 2.i1

Posun napěťové úrovněSlouží k propojení dvou bodů s různým rovnovážným potenciálem a s

maximálním přenosem odchylek napětí

Posun úrovně

UARL

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:

UU

I

I1

I2

Proudový zdroj (posun

proudu)

I

UAUB

Posun úrovně napětí

U1

N diod : UC=N.U1

UAUB

ID RS

ID

RL

0

DTD

T

D0DSDD1 I

IlnUU1

U

UexpII;RIUU

Posun napěťové úrovně II

SDD0

DTSD0

0

D0TD

D0

10101101

1LD1BASD0

DT1

0

DTD

T

D0DSDD1

RiI

iURI

I

IlnUi

I

UUuUU

NURINUUURII

IlnUU

I

IlnUU1

U

UexpII;RIUU

;

Přejdeme k malým změnám veličin:

0,6.NN.UUUΔUN.5.10R

IU

R

Nu

uu;iRu;i

I

URNuu 10B0A0

3

L

D0

TS

B

BADLB

D0

TSBA D

;

Relativní pokles změny napětí na obvodu

Celková diference napětí na obvodu (závisí na teplotě)

N diod : UC= N.U1

UA UB

U1

ID RS

ID

RL

Výstupní obvodyNapěťový výstup

Výstupní obvody s nízkým vnitřním odporem Ri

Dvojitý emitorový sledovač s komplementárními

tranzistory pro nízké proudy

Kvazikomplementární dvojité Darlingtonovo zapojení pro

vysoké proudy

Uvýst Uvst

Ri h11e/[2(+1)]

+UCC

Uvst

Uvýst

-UCC

IZ

IZ

Uvýst Uvst

Ri h11e/ 2(+1)]

T1

T2

T3

T4

Uvst

+UCC

-UCC

Uvýst

IZ

IZ

T1

T2

D1

D2

D1

D2

D3

D4

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 -23Uvst/R1 = -gmUvst

Ri 1/2h22e = rC/2

3 … proudový zesilovací činitel tranzistorů T3 a T4

gm = 23/R1 … přenosová vodivost

Uvst

+UCC

-UCC

Ivýst

R2

R1

T1

T2

T3

T4

I1

I2