1.7. Биполярные аналоговые ис

В зависимости от выполняемой функции аналоговые ИС подразделяются на следующие основные виды: многоцелевые усилители, операционные усилители, компараторы напряжения, ограничители, перемножители, активные и пассивные фильтры, стабилизаторы напряжения и тока, коммутаторы и ключи, формирователи, генераторы, детекторы, модуляторы, смесители и др.

Для схемотехнического построения аналоговых ИС характерны два принципа, отражающие специфику групповой технологии их изготовления и тенденцию роста степени интеграции: взаимного согласования цепей и схемотехнической избыточности. Принцип взаимного согласования цепей (структур) заключается в том, что необходимые пропорциональность или равенство значений электрических параметров двух цепей (структур) в широком интервале эксплуатационных воздействий достигается их конструктивно-технологическим исполнением. Взаимное согласование схемотехнических структур осуществляется за счет близкого топологического размещения соответствующих элементов на кристалле.

Достигаемая при этом идентичность или строгая пропорциональность параметров в полном интервале эксплуатационных воздействий (старение, изменения температуры, напряжений питания и др.) обусловлена тем, что исходные материалы и условия проведения технологических операций для таких элементов (структур) практически одинаковы. Использование данного принципа позволило создать высокоточные структуры аналоговых ИС – дифференциальные усилители, эталоны токов и напряжений с параметрами, не реализуемыми в традиционной схемотехнике на дискретных компонентах.

Принцип схемотехнической избыточности заключается в усложнении схем аналоговых ИС для улучшения их качества, надежности, повышения технологичности и снижения занимаемой площади кристалла. Поэтому в аналоговых ИС избегают применения конденсаторов, как правило, занимающих большую площадь, а проблемы согласования каскадов и стабилизации их режима решают усложнением схемотехники структур с непосредственными связями.

Данные принципы схемотехнического построения особенно проявляются в общих для различных аналоговых ИС структурах, таких, например, как дифференциальные усилители. В линейных усилителях необходимо использовать непосредственные связи между отдельными звеньями. По этой причине изменения напряжений смещения по постоянному току усиливаются последующими ступенями, что приводит к появлению на выходе паразитного сигнала. Чтобы свести к минимуму этот эффект, и используют дифференциальный усилитель.

На рис. 1.18 изображена принципиальная схема базового дифференциального усилителя с двумя идентичными усилительными элементами на входах. Выходной сигнал в таком усилителе пропорционален разности потенциалов (амплитуд сигналов) на его входах, т.е. разностному (дифференциальному) сигналу. Отметим, что в данной схеме на базу транзистора VT2 подается постоянный опорный сигнал, задаваемый резистивным делителем напряжения.

Рассматриваемый усилитель симметричен относительно воображаемой прямой, проведенной между транзисторами VT1 и VT2, и резисторы коллекторных нагрузок одинаковы. Следовательно, усилитель устойчив на всех частотах независимо от температуры: любые изменения коэффициента передачи или утечек в усилительном канале транзистора VT1 компенсируются такими же изменениями в усилительном канале транзистора VT2.

Наиболее распространенным видом аналоговых ИС широкого применения являются операционные усилители, которые осуществляют функцию усиления и выполняют роль базового универсального элемента для построения многих аналоговых узлов. Эти усилители состоят из нескольких ступеней, причем на входе включен дифференциальный усилитель. Операционные усилители имеют высокий коэффициент усиления, значительное входное и низкое выходное сопротивление.

Происхождение термина связано с тем, что в свое время подобные усилители, выполненные на дискретных элементах, использовались в аналоговых вычислительных устройствах, которые производили математические операции суммирования, умножения, интегрирования, дифференцирования и др. Гибкость применения, а также низкая стоимость обусловили использование данных ИС в качестве основных функциональных узлов линейных цепей, применяемых в измерительных устройствах, автогенераторах, активных фильтрах, линейных усилителях и т. д. Технология изготовления аналоговых ИС в основном совпадает с планарной технологией, применяемой для производства биполярных транзисторов.