Интегрирующая цепь - интегральный резистор

R2

C R дифференцирующая цепь

Рассмотрим две последние схемы подробнее, т.к. они часто применяются в схемотехнике.

Дифференцирующая цепочка. Ищем амплитуду выходного сигнала U_вых =(U_выхU_вых^*).

Здесь U^* - комплексно сопряженная величина. Определяем величину тока в цепи по закону Ома для суммарного импеданса:

U_вых/U_вх На высоких частотах (ВЧ) U_вых  U_вх,

1 на НЧ U_вых  0, т.е. получили фильтр высоких частот (ВЧФ).



Для синусоидального сигнала единичной амплитуды

R>> 1кОм.

Д ля импульсного сигнала диаграмма будет такая: U_вх

I 0

U_вых

U_вх U_вых 0

Интегрирующая цепочка. Линия задержки. Фильтр низких частот (НЧФ).

I U_вых/U_вх 1

R

U_вх U_вых R_н

U_вых = I  Z_вых, I = U_вх/Z_

логарифм. масштаб

.

для синусоидальных сигналов.

При малых RС ( ) U_вых  - получили фильтр низких частот.

Выход фильтра низких частот (НЧФ) можно использовать как самостоятельный источник питания: при больших RС, U_вых<< U_вх  т.е. ток пропорционален U_вх, почти идеальный генератор.

U _вх

участок линейной зависимости имеет 10%

t ошибку при 10% изменении входного напряжения.

U _вых Z_вых  Z_С  0 на высоких частотах.

Для Z_вх в схеме НЧФ учитывается номинал R (например,1 кОм)

t плюс сопротивление нагрузки R_н на низких частотах,

на высоких частотах учитывается только R=1 кОм.

В качестве генератора тока используют резистор большого номинала.

Cудя по виду выходного сигнала НЧФ, можно получить аппроксимацию пилообразного сигнала.

Вернемся к резистору. Эквивалентная схема интегрального резистора представляет собой фильтр низких частот с постоянной времени = RC/2.

Время нарастания фронта от 0,1 до 0,9 амплитуды составляет 2,2 , ширина полосы по уровню 3 дБ (частота сопряжения) ,   RC.

Частотная характеристика интегрального резистора с учетом его эквивалентной схемы фильтра низких частот:

U_вых/U_вх 1 наклон –6дБ/октаву, lg(Z_вх/R)

0  (логарифмический масштаб)

1 10 100

_-3дБ = 1/RC

Точка -3 дБ находится на частоте f = 1/2RC.

Высокочастотные параметры резисторов

R, кОм	=RC	tфронта	Ширина полосы
1	113 пс	0,25 нс	1,41 ГГц
10	11,3 нс	24,8 нс	14,1 МГц
50	281 нс	619 нс	3,5 МГц
100	1,13 мкс	2,48мкс	141 кГц
200	4,5 мкс	9,9 мкс	35 кГц
300	10,1 мкс	22,3 мкс	16 кГц

Температурную зависимость номинала резистора характеризует температурный коэффициент сопротивления (резистора) - ТКС (ТКР).

R = R⁰(1 + TKC T), T- диапазон температур, R⁰ - сопротивление при комнатной температуре.

Для самого распространенного типа ИР в сжатом базовом слое (пинч-резистор),

ТКС=2-5*10^-3 град^-1. В миллиамперном диапазоне токов изменение падения напряжения на килоомном резисторе составит 2-5 мВ.

Интегральный конденсатор. В интегральных схемах используют два вида конденсаторов: на р-n-переходах и пленочные со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или металл-диэлектрик-металл (МДМ).

Все обратно-смещенные переходы обладают барьерной емкостью

-

удельная емкость равновесного р-n-перехода.

Для перехода Б-Э эта величина может быть 50-1000 пФ/мм² ( 0,05-10 фФ/мкм²), в зависимости от концентрации областей, U_{проб.БЭ}  7 В;

С _БК  0,1-1 фФ/мкм², напряжение пробоя p-n- перехода U_{проб.БК}  50 В;

С_КП ~ 0,1-1 фФ/мкм², U_{проб.КП}  30-50 В.

Д ля пленочных конденсаторов - R_c

R C₁

n n⁺

С _0пл  15-20 фФ/мкм², d_ок =25нм

U_проб  60 В p C_кп

В интегральном конденсаторе всегда существует некоторое паразитное сопротивление, включенное параллельно, и последовательное сопротивление. Полный импеданс интегрального конденсатора и величина тока через него:

Интегральные конденсаторы имеют не только паразитное

сопротивление, но и паразитную емкость, которая может приводить к ослаблению сигнала, иногда значительному.

Для С = 50 пФ (L = W): R  1 Ом,

А = 0,15 мм² =  10 ИБТ

100 МДПТ.

Добротность Q _{f =1 МГц} = f/f  3000, ).

При использовании перехода Б-К паразитная емкость перехода К-П составляет примерно 90% основной, поэтому коэффициент передачи напряжения будет С/С_  0,5.

Для пленочного МДП- конденсатора (в биполярной схеме) отношение С₁/С_пар  4, значит, коэффициент передачи напряжения С_/С_ ~ 4/5  0,8.

Емкость пленочного конденсатора С_МДП почти не зависит от напряжения смещения, полярность любая. Для конденсатора на структуре ИБТ - только обратное смещение р-n- используемого р-п перехода.

Для синусоидального источника питания ток в конденсаторе опережает входное напряжение на 90⁰.

Интегральная индуктивность. Элемент, необходимый для получения магнитного поля, характеризуется большим числом витков, желательна 3-х мерная структура. В планарном исполнении номиналы индуктивностей - единицы наноГенри (нГн) при больших площадях и больших паразитных сопротивлениях, поэтому добротность Q весьма низкая.

Эквивалентная схема интегральной индуктивности всегда включает в себя последовательное сопротивление, поэтому полный импеданс, напряжение и ток определяются следующим образом: 

R_L L

~

В АИС средней и большой итеграции индуктивности практически не используются, в некоторых применениях LR цепи заменяют на RC.

Для схем с обязательными индуктивностями (высокой и промежуточной частоты) используют гибридные катушки (навесные элементы). В гибридных СВЧ- схемах могут быть использованы тонкопленочные спирали.

Л Е К Ц И Я 3

Интегральный диод.

В схемотехнике АИС диоды считаются пассивными элементами с нелинейной ВАХ. Падение напряжения на диодах составляет 0,6 - 0,9 В и является функцией величины тока через диод.

Идеальный диод моделируется уравнениями ВАХ: ( * )

к оторые выглядят в графической форме так:

I I_max I

эксперимент аппроксимация

I₀ U I₀ U_д.гр U_д U

Величина I₀ может составлять от 10^-18 до 10^-15 А/cм², и зависит от площади р-n-перехода и градиента концентраций.

В интегральной биполярной структуре

возможно использовать в качестве диода

любой р-n-переход: Б-Э, Б-К, переход К-П –

интегральная структура паразитный.

Возможны следующие виды реализации диодов:

1 2 3 4 5 6

Схема	Включе- ние	Послед. сопротивл.	Прямое падение U при I=10 мА	Uпробоя	Время рассасы-вания, нс	Паразитн. p-n-p тран-зистор
1	UБК = 0	(rК+rБ)/	0,85 В	низкие, 7 В	6	нет
2	UБЭ = 0	rБ/+rК	0,94 «	высокие,>40 В	90
3	IК = 0	rБ	0,96	7 В	70	нет
4	IЭ = 0	rБ+rК	0,95	> 40 В	130
5	UКЭ = 0	rБ	0,92	7 В	150
6	IЭ = 0	rБ+rК	0,95	> 40 В	80
ДШ			0,25-0,4		0	нет

Лучший вариант - схема №1: паразитное сопротивление минимально и составляет единицы Ом, отсутствует эффект подложки.

Недостатки - низкое пробивное напряжение 6-9 В.

Полная зквивалентная схема ИД и схемы реализации диода №1 :

К А

r_K I_П

П  катод анод r_Б r_K

I_КД

Б

r_Б I_ЭД

Э К

В схемотехнике АИС важным параметром является дифференциальное сопротивление диода, учитывающее нелинейность ВАХ прибора:

r_Д/r₀, R_Д/R₀ (пост.ток - - - ) r_Д/r₀, R_Д/R₀

. R_Д/R₀

1 1

-1 0 1 2 3 5 I/I₀ -1 0 1 2 3 U/_T

После диференцирования уравнений идеальной ВАХ диода (*) получаем:

В аналоговой схемотехнике чаще используется не дифференциальное сопротивление, а величина, обратная ему: динамическая прямая проводимость или крутизна

Температурная зависимость параметров интегрального диода учитывается при помощи эмпирически определяемого коэффициента, температурного коэффициента напряжения -ТКН

T- температурный диапазон, U_Д⁰ - падение напряжения на диоде при комнатной температуре. Величина ТКН для кремниевых р-n -переходов типа Б-Э составляет примерно 2 мВ/град. Отметим здесь, что изменение падения напряжения на резисторе и на диоде примерно одинаково по величине, но противоположно по знаку, на этом основано большинство схемотехнических приемов термокомпенсации изменения напряжения или токов в узлах схемы.

Некоторые схемы на диодах. Диодные цепи могут реализовывать функции выпрямления, ограничения напряжения, стабилизации.

В ыпрямление.

Е ~ R_н U_н

t

~

Пример каскадного соединения

дифференцирующей цепочки U₁

и выпрямителя U_вх U_вых

О граничители напряжения.

Вх вых U_вых 5,6 (5.8) В - ограничение для входов КМДП-

схем

+5 В U_вх> -70 В (пробой в дискретных диодах)

U_вых 0.8 В, двусторонний ограничитель.

U_вых

+0,8 t

-0,8

Ограничитель без смещения на 0.8 В и с температурной стабилизацией.

U_вх R_вх B

Плечо D2R1 дает потенциал - 0.8 В в т. А на катодах D1,

D2 открыт, в т.В U_B=0, входной ток пропорционален U_вх.

Температурная разница напряжений на диодах минимальна.

R1 должен быть таким, чтобы ток через D2 был

D2 D1 гораздо больше тока через D1 (R1 мало).

A Схема формирует величину тока I_вх = U_вх/R_вх.

-0.8 В

R1

-U

ЛЕКЦИЯ 4