книги / Справочник по микроэлектронной импульсной технике

СПРАВОЧНИК п о

МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ

и м п у л ь с н о й ТЕХНИКЕ

Под редакцией д-ра техн, наук В. Н. Я к о в л е в а

К иев «Техника»

1983

К. : Техшка, 1983. —359 с., ил.— Библиогр.: с. 353—356.

Впер.: 1 р. 80 к. 50000экз.

Всправочнике приведена микроэлектронная современная элементная база, используемая

вимпульсной технике. Описаны методы построения, принципы работы* методика анализа и

расчета формирователей импульсов и импульсных генераторов на аналоговых и цифровых ин­ тегральных микросхемах, а также импульсных устройств различного назначения на приборах

Авторы: В. Я. Яковлев, В. В. Воскресенский, С. И. Мирошниченко, О. А, Падалко, Я. Я. Степанушкин

Рецензенты: канд. техн. наук В. А. Масловский, д-р техн. наук Я. С. Спиридонов

Редакция литературы по энергетике, электронике, кибернетике и связи Зав. редакцией 3. В. Божко

© Издательство «Техщка»! 1983

ПРЕДИСЛОВИЕ

Успехи современной микроэлектроники и интегральной схемотехники обусловили появление новых методов построения и конструирования электронной аппаратуры различного назначения, отличающейся малыми массой и габаритными размерами, а также высокой надежностью.

Широкое применение цифровых и аналоговых микросхем обеспечи­ вает бурное развитие цифровой, цифроаналоговой н аналоговой техники. Несмотря на массовое использование и перспективность цифровой техни­ ки, во многих случаях не утратила своих преимуществ в стоимости и быстродействии аналоговая техника. Применение же цифроаналоговых (гибридных) устройств обеспечивает реализацию преимуществ цифровых устройств в точности и перестройке и аналоговых устройств в бы­ стродействии и простоте.

В Основных направлениях экономического и социального развития^

СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года в качестве одной 1 из важнейших проблем отмечается «...совершенствование вычислитель­ ной техники, ее элементной базы и математического обеспечения, средств и систем передачи и обработки информации...»

Широко применяемыми узлами электронной техники и систем об­ работки информации являются импульсные устройства, которые могут быть выполнены как на аналоговых, так и на цифровых микросхемах. Они используются в аналоговых вычислительных машинах, в блоках управления, ввода и вывода цифровых ЭВМ, в связной, телеметриче­ ской, радионавигационной и радиолокационной аппаратуре, в системах автоматического регулирования и управления, в цифровых и цифроаналоговых измерительных приборах и т. д.

В последнее десятилетие появилось много книг и журнальных ста­ тей, посвященных микроэлектронной, в том числе и импульсной технике. Однако до сих пор нет справочного пособия, в котором бы системати­ чески были изложены методы построения, анализа и расчета наиболее распространенных импульсных устройств на интегральных микросхемах различного назначения. Авторы настоящего справочника ставили перед собой задачу в какой-то мере восполнить этот пробел и помочь раз­ работчику лучшим образом выполнить импульсные устройства на ми­ кросхемах того типа и той серии, которые являются основными для разрабатываемой нм аппаратуры.

Книга состоит из 13 глав. В 1-й и 2-й главах кратко описаны наи­ более распространенные аналоговые и цифровые микросхемы, а также триггеры. Здесь рассмотрены их основные характеристики и особен­ ности, которые необходимо учитывать при построении на них различ­ ных импульсных устройств, ЗгЯ глава посвящена сравнительной оценке

8

Глава 1

АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ

Интегральные микросхемы, в зависимости от технологических особенностей про­ изводства, делятся на пленочные, полупроводниковые и гибридные.

В пленочных микросхемах все элементы и межэлементные соединения выполняются в виде одного или нескольких слоев пленок металлов, диэлектриков или полупроводни­ ковых материалов. Несмотря на простоту изготовления пленочных конденсаторов и ре­ зисторов, широкого применения пленочные микросхемы не получили, поскольку изго­ товление пленочных полупроводниковых диодов и транзисторов представляет сложную технологическую задачу.

В полупроводниковых микросхемах, в отличие от пленочных, все элементы и межэле­ ментные соединения выполняются в объеме или на поверхности кристалла полупровод­ ника. Технология производства таких микросхем позволяет получать высококачественные диоды и транзисторы, однако диапазон номиналов и точность изготовления конден­ саторов и резисторов в этом случае невелика. Полупроводниковые интегральные микро­ схемы в настоящее время наиболее распространены благодаря высокой надежности, ма­ лым габаритам и массе, а также относительной дешевизне при массовом производстве.

В ряде случаев целесообразно использовать гибридные микросхемы, объединяющие технологические достоинства полупроводниковых и пленочных микросхем. Гибридные интегральные микросхемы содержат, кроме пленочных элементов, диоды, транзисторы, конденсаторы больших номиналов и кристаллы полупроводниковых микросхем. Увели­ чение числа технологических операций производства гибридных микросхем приводит к снижению их надежности и возрастанию стоимости по сравнению с полупроводниковыми и пленочными микросхемами. Несмотря на это, гибридные интегральные микросхемы при­ меняются широко, так как их разработка требует значительно меньших трудозатрат по сравнению с полупроводниковыми, что позволяет изготовлять относительно дешевые гибридные интегральные микросхемы для решения узкоспециальных задач сравнитель­ но небольшими сериями.

Наряду с интегральными микросхемами высокого уровня интеграции применяются простейшие интегральные элементы — наборы резисторов и конденсаторов.

2.РЕЗИСТОРЫ И КОНДЕНСАТОРЫ

Косновным электрическим параметрам резисторов относится диапазон сопротивле­ ний, их разброс, нелинейность, температурный коэффициент сопротивления, диапазон рабочих частот и допустимая мощность рассеяния. Основными электрическими парамет­ рами конденсаторов являются диапазон емкостей, их разброс, полярность, нелиней­ ность, диапазон рабочих частот и допустимое напряжение.

Специализированная микросхема импульсного устройства может быть выполнена по гибридной или полупроводниковой технологии. При изготовлении микросхемы по гибридной технологии резисторы и конденсаторы выполняются из пленок резистивных материалов, проводников и диэлектриков. Диапазон сопротивлений пленочных резисто­

1—3 мм2, допустимая рассеиваемая мощность резистора составляет 10—100 мВт. При этом рассеиваемая мощность других элементов микросхемы, в зависимости от типа корцуса, ограничивается значением 200—500 мВт. Допустимое напряжение пленочных

5

конденсаторов зависит от электрической прочности и толщины пленок диэлектриков и обычно лежит в пределах 3...25 В. Температурный коэффициент сопротивления пле­

ночных резисторов составляет (50—150) 10”~6 К"”1, а температурный коэффициент емкос­

ти пленочных конденсаторов (80—1000) 10~6 К” 1. Диапазон рабочих частот пленочных резисторов сопротивлением до 10 кОм и конденсаторов емкостью до 500 пФ достигает 100—300 МГц. Для резисторов сопротивлением более 50 кОм и конденсаторов емкостью более 2000 пФ диапазон рабочих частот значительно ниже — до 100 кГц.

Компонентами гибридных микросхем являются бескорпусные резисторы типов С2-12, СЗ-2, СЗ-З и другие, имеющие номинал от единиц ом до 10 МОм, а также конден­ саторы типов КЮ-9, КЮ-17В, КЮ-27, К22, КМК, КОМП, К-53 и другие с номиналами до 33 мкФ.

Значительно меньшим диапазоном сопротивлений и емкостей ограничены резисторы и конденсаторы полупроводниковых интегральных микросхем. Резисторы этих микро­ схем выполняются из примесного полупроводника, область которого отделяется от общей полупроводниковой подложки одним или двумя расположенными навстречу друг другу р-п-переходами. При одном изолирующем переходе на резистор необходимо по­ давать вполне определенное относительно подложки напряжение, при двух такое напря­ жение может быть произвольным. Если активными элементами микросхемы являются би­ полярные транзисторы, то резисторы выполняются из диффузионных областей базы или эмиттера. При этом удельное поверхностное сопротивление области базы равно 60— 250 Ом, а области эмиттера 2—5 Ом. Это дает возможность получать целесообразные по

перехода между резисторным слоем и подложкой обусловливает ограничение по диапазо­

It Для получения резисторов с большим сопротивлением в микросхемах на биполярных транзисторах используется область базы, толщина которой уменьшена путем введения области эмиттера. Сопротивление таких резисторов достигает нескольких сот килоом, од­ нако они имеют значительную нелинейность и разброс более 30—50% . Для получения больших сопротивлений в МДП-мнкросхемах в качестве резисторов используются МДПтранзнсторы с длинным и узким каналом.

В качестве конденсаторов полупроводниковых интегральных микросхем на би­ полярных транзисторах используют емкости обратно смещенных n-р-переходов, значе­ ние которых обычно менее 100 пФ при разбросе ± (20—30) %, температурном коэффици­

енте емкости (—1000... +200) 10 ^ К ^ 1, номинальном напряжении 7...50 В и значитель­ ной нелинейности. Интегральный конденсатор обычно изолируется от подложки обрат­ но смещенным п-р-первходом, паразитная емкость которого составляет 10—25 % от емкости конденсатора.

Обкладками конденсаторов МДП-микросхем являются диффузионные области истоков или стоков и области затворов. Разделяет обкладки слой высококачественного тонкого под­ затворного диэлектрика. Емкость таких конденсаторов также не превышает 100 пФ, однако использование в конденсаторах высококачественного диэлектрика обусловливает большую линейность, неполярность и меньший разброс параметров. Так как интеграль­ ные конденсаторы имеют малую емкость, их применяют в основном для внутренней кор­ рекции. Исключением являются микросхемы структур с зарядовой связью, в которых МДП-конденсаторы являются основными пассивными элементами.

Для автоматизации сборки радиоэлектронной аппаратуры из микроэлементов и мик­ росхем и обеспечения высокой надежности и качества соединений целесообразно исполь­ зовать унифицированные многослойные печатные платы. При установке на печатные пла­ ты выводы применяемых элементов должны быть конструктивно совместимыми с места­ ми крепления, рассчитанными на установку микросхем. В настоящее время серийно выпускаются резисторные, резисторно-конденсаторные и конденсаторные блоки (наборы), выводы которых совместимы с выводами микросхем в плоских металлокерамических кор­ пусах и пластмассовых корпусах типа ДИП. Входящие в состав блоков резисторы и кон­ денсаторы имеют широкий диапазон номинальных значений. Например, резисторы в бло­ ках типа Б20 имеют сопротивление от 51 до 2000 Ом [35]. В блок обычно входит от 6 до 12 резисторов номинальной мощностью до 0,5 Вт. Разброс номинальных значений резис­ торов блоков Б20 составляет ± (5 и 10) %. Схемно резисторы [в блоках выполняются неза­ висимыми (блоки Б20-1-1, Б20-1-2, Б20-3-2) или имеют один общий вывод (блоки Б20-2-1,

6

Б20-3-1). В блоках типа Б20-3-3 резисторы образуют шесть последовательных делите­ лей напряжения.

Часто в электрических схемах импульсных устройств наряду с резисторами целе­ сообразно использовать разделительные, ускоряющие или шунтирующие конденсаторы. В связи с этим в состав блоков Б20-4 помимо резисторов входит один или два конденса­ тора емкостью 4700 пФ с отклонением (+ 50...—20) %, имеющие номинальное напряже­ ние 15 В.

Для высокочастотной и низкочастотной развязки напряжений источников питания, а также для выполнения иных функций выпускаются конденсаторные блоки. Так, в состав блоков Б18А входят от трех до шести высокочастотных керамических или низкочастотных электролитических конденсаторов емкостью от 4700 пФ до 3,3 мкФ. Разброс номинальных значений емкостей от ±30 % до {+90...—20) % при номинальных напряжениях 3—25 В. Выводы блоков Б20 и Б18А совместимы с выводами микросхем

впластмассовых корпусах типа ДИП.

3.ДИОДЫ И ТРАНЗИСТОРЫ

Независимо от того, в состав какого вида микросхем или микросборок входят диоды и транзисторы, они выполняются по одному из вариантов технологии полупроводниковых микросхем. При производстве биполярных транзисторов наи­ более распространена планарно-эпитаксиальная технология. Процесс формирования биполярного транзистора по такой технологии содержит следующие этапы. В исходной

полупроводниковой подложке р-типа методом диффузии создается область г& (рис. 1.1, а). Затем поверх подложки выращивается высокоомный эпитаксиальный слой я-типа, в котором двумя последо­

проводится разделительная диффузия, формирующая область р. Затем поверхность транзис­ тора защищается слоем окисла, поверх которого наносится один или несколько слоев сое­ динительных проводников. Для обеспечения электрического контакта областей транзис­ тора с соединительными проводниками в слое окисла в необходимых местах протрав­ ливаются окна.

Электрические параметры транзистора, необходимые для расчета импульсных уст­ ройств, можно разделить на три группы: низкочастотные, высокочастотные и предельно допустимые. Основными низкочастотными параметрами транзистора являются коэффи­ циент усиления тока базы Р = h2\3 и входное сопротивление RBX = Л11э. Для интеграль­

ных транзисторов [48] коэффициент усиления тока базы составляет 100—200 с разбросом

± 30 %. Величина RBX определяется объемным сопротивлением области базы г$ и пере­ считанным в цепь базы сопротивлением эмиттерного перехода

К низкочастотным параметрам относится также напряжение база — эмиттер £/бэ,

при котором ток коллектора резко увеличивается от нулевого значения. Для кремние­ вых транзисторов это напряжение равно 0,5—0,7 В. Температурный дрейф входной ха­ рактеристики транзистора составляет — (2,2—2,4) мВ/К.

Высокочастотными параметрами биполярного транзистора являются граничная час­ тота / j и емкость коллекторного перехода Ск. Граничной называют частоту, на которой

г

спрямленная зависимость Р (/) уменьшается до единицы. Она связана с предельными час­ тотами /а и /р соотношениями

/а ^ 1 ,6 / г , /р = /г/р.

Для интегрального биполярного транзистора, в зависимости от его площади, гра­ ничная частота равна 250...1000 МГц, а емкость коллектор — база CKg = 0,2...2 пФ.

На высокой частоте при расчете схем необходимо учитывать наличие значительной ем­ кости коллектор — подложка СК1! = 0,8...8 пФ и сопротивления области коллектора

rK 10 Ом.

К предельно допустимым параметрам относится допустимый ток коллектора / к доп

ход, имеющий положительный температурный дрейф 1,5—2мВ/К. В качестве диодов ин­

Миогоэмиттерные транзисторы широко применяются во входных каскадах цифровых микросхем.

Важнейшей особенностью интегральной технологии является возможность полу­ чения идентичных параметров близко расположенных однотипных элементов. Так, для расположенных рядом транзисторов разброс значений и бэ при заданном токе базы состав­

ляет ±1 мВ, а отличие коэффициентов усиления тока базы не превышает ± 5 %. Близость элементов на подложке обусловливает незначительную разность их температур. Вслед­ ствие этого температурный дрейф параметров также согласован.

Помимо биполярных транзисторов в качестве активных элементов интегральных микросхем широко применяются МДП-транзисторы. Технологически биполярные и МДП-транзисторы совместимы плохо, что обусловило развитие двух самостоятельных на­ правлений технологии и схемотехники импульсных микросхем.

Для получения простейшего варианта МДП-траизистора с индуцированным каналом p-типа (рис. 1.2, а) в исходной полупроводниковой подложке л-типа диффузией образуют области истока и стока р-тнпа. Затем формируется тонкий подзатворный и толстый за­ щитный слой окисла, после чего наносится слой металлизации, образующий затворы и выводы истока и стока. Основными низкочастотными параметрами МДП-транзистора являются пороговое напряжение Un и крутизна. Под пороговым понимается напряжение затвор — исток (Узи, при котором ток стока близок к нулю. Для МДП-транзисторов

с индуцированным p-каналом Un = —3...—5 В, крутизна

S = d I J d U w = (юСо|*//) (С/зи - </п),

где w u I — ширина и длина канала транзистора; р — подвижность носителей в канале; С0 — удельная емкость слоя окисла.

При типичных для интегрального МДП-транзистора значениях р = 550 см2/(В • с) и С0 = 2 10_8 Ф/смг

S г=* Ю- 5 (w/[) ((/Зи — £/*),

откуда для wil = 1...20 и U3H— Un = 5 В значение S = 0,05...! мА/В.

8

Высокочастотными параметрами МДП-транзистора являются входная Свх, выход­ ная Свых, проходная Сзс емкости и сопротивление канала RK& 1/5. Входная емкость равна сумме емкостей между затвором и истоком Сзи, затвором и стоком Сзс и затвором и каналом Ск. Так как обычно Сзи = Сзс, емкость Ск = Свх — 2Сзс.

При наличии сопротивления RK с повышением частоты все большая часть входного напряжения будет выделяться на RK. Управляющее действие затвора ухудшается, что можно описать зависимостью крутизны МДП-транзистора от частоты:

твором и истоком, затвором и подложкой, а также стоком и подложкой соответственно. Предельно допустимый ток стока интегрального МДП-транзистора в основном ограничи­ вается перегревом структуры, а допустимые напряжения — электрическим пробоем слоя окисла или л-р-переходов истока и стока с подложкой. Допустимые обратные на­ пряжения для интегрального транзистора составляют 15...40 В.

Для расширения диапазона рабочих частот МДП-микросхем, а также для резкого снижения потребляемой мощности используются транзисторы с каналами противополож­ ного типа проводимости — комплементарные (КМОП) структуры. В таких структурах (рис. 1.2, б) один из транзисторов выполняется непосредственно на подложке, а другой — в диффузионной области с противоположным подложке типом проводимости. При работе

В частности, транзисторы формируются в тонком кремниевом эпитаксиальном слое на сапфировой подложке (технология КНС). Высокое быстродействие КНС-микросхем обу­ словлено малыми внутренними емкостями в структуре и практически нулевой емкостью по отношению к подложке.

В микроэлектронных импульсных устройствах в качестве диодов и транзисторов используются элементы полупроводниковых микросхем, компоненты гибридных микро­ схем и элементы или компоненты микросборок. При разработке полупроводниковых мик­ росхем в соответствии с требуемыми параметрами рассчитывается топология диодов н транзисторов. При проектировании гибридных микросхем используются серийные бескорпусные диоды, транзисторы или микросборки. Совместное использование диодов, транзисторов и микросхем на общей унифицированной печатной плате обусловливает необходимость применения микросборок диодов и транзисторов в корпусах, совместимых по выводам с корпусами микросхем.

Выпускаемые в составе серий микросхем наборы диодов ориентированы на конкрет­ ные области применения. Например, наборы и сборки диодов входят в состав цифровых микросхем серий К202, К217 и К221 диодно-транзисторной логики. Для таких диодов

ставляют выпускаемые в корпусах, совместимых с корпусами типа ДИП, диодные сбор­ ки КД914, КДС523, КДС525 и другие, имеющие время восстановления не более 5 нс при импульсных токах до 200 мА и обратных напряжениях до 70 В. Меньшим быстродействи­ ем, однако значительно большим импульсным током (0,35—3 А) отличаются микросборки и матрицы диодов типа КД904, КД909, КД919, КДС111 в пластмассовых корпусах, КД908 — в металлостеклянном корпусе и др. Близкие по параметрам диодные сборки и матрицы выпускаются в бескорпусном варианте.

Транзисторные микросборки и матрицы входят [44] в состав серий микросхем К198, К201, К217, К224, К243 и К504, а также образуют серии микросхем К129, К159, К166.

л-р-л- и р-л-р-транзисторов затруднено. В связи с этим выпускаются отдельные наборы транзисторов р-п-р- и л-р-л*типов. Например, такие наборы входят в состав серин

9

К 198. Коэффициент усиления тока базы транзисторов этой серии, в зависимости от типа микросборки, составляет 20—300.

Отмеченная ранее возможность получения в интегральном варианте идентичных по параметрам транзисторов реализована в микросборках биполярных и полевых согласо­ ванных пар транзисторов. Согласованные пары биполярных транзисторов входят в со­ став серии К 198 и образуют серию К 129. Относительный разброс коэффициентов усиления тока базы согласованных пар ± (5—15) %, а разность прямых падений напряжений

и напряжение смещения нулевого уровня не более 30 мВ.

Для использования в качестве компонентов гибридных микросхем выпускается зна­ чительное число типов бескорпусных транзисторов и транзисторных сборок [50]. В ос­ новном они являются транзисторами малой и средней мощности диапазона высоких час­ тот и СВЧ. Для работы в быстродействующих импульсных и других устройствах раз­ работаны транзисторные сборки типа ГТС609, КТС613, КТС631 в металлических корпу­ сах и КТС622 в плоском металлокерамическом корпусе. Импульсный ток коллектора транзисторов микросборок / ки = 0,5...1,3 А, допустимое обратное напряжение, С/кб =

= 20...60 В при граничной частоте fT = 30...350 МГц.

4. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

Аналоговые электронные ключи предназначены для коммутации электрических це­ пей под действием внешних управляющих импульсов и относятся к простейшим аналого­ вым микросхемам. По мере развития схемотехники разработано три поколения аналого­ вых ключей от двухтранзисторных микросхем до многоканальных коммутаторов, по количеству элементов соответствующих микросхемам 3-й степени интеграции. Основны­ ми параметрами аналогового электронного ключа являются: сопротивление открытого R0TK и закрытого /?зак ключа, диапазон коммутируемых напряжений и токов, время

включения fBKJ1 и выключения /пык ключа, а также степень развязки сигнальных цепей

и цепей управления. Последнюю можно косвенно оценить по значению проходной ем­ кости между управляющей цепью и выходом ключа или непосредственно — по уровню импульсной помехи, наводимой на нагрузке ключа.

Первое поколение микросхем аналоговых коммутаторов представлено микросхемами на биполярных транзисторах (рис. 1.3, а, 6) серий К101, К124, К162, К743 и К762. Коммутируемый сигнал подается между эмиттерами транзисторов, а управляющее на­ пряжение — между коллекторами и базами. Развязка сигнальной цепи и цепи управле­ ния по постоянному току осуществляется при помощи трансформатора (рис. 1.3, в). Для ограничения суммарного управляющего тока баз транзисторов на уровне 2—-10 мА используется резистор R1, конденсатор С1 предназначен для повышения быстродействия ключа.

Сопротивление открытого ключа для рассматриваемых микросхем ROTK= 100...

...200 Ом. Сопротивление закрытого ключа обусловлено наличием токов утечки между эмиттерами / ээут= 10... 150 нА. Токи утечки измеряются при допустимых напряжениях

коммутируемого сигнала £7ЭЭдоп = ± (3...30) В. С учетом этого

^зак ^ ^ээ.доп^ээ .ут = 10®. ..10® Ом.

Динамический диапазон изменения сопротивления ключа составляет 120—140 дБ на низкой частоте, что позволяет ориентировочно оценить максимальный динамический диапазон коммутируемого сигнала на уровне 60—80 дБ. Допустимый коммутируемый ток рассматриваемых ключей составляет 5—25 мА.

Ко второму поколению микросхем аналоговых ключей относятся серии К 168, К190 и другие, выполненные на МДП-транзисторах с индуцированным p-каналом. Используя МДП-транзисторы в качестве ключевых элементов, можно развязать по постоянному току сигнальную цепь и цепь управления без использования развязывающих трансфор­ маторов. Другой характерной чертой микросхем второго поколения ключей является многоканальность. Например, в микросхеме К1КТ682 содержится (рис. 1.4, а) четыре независимых ключа, а в микросхемах серии К190 (рис. 1.4, б, в) — четыре или пять ключей.

10