Интегрирующая цепь - интегральный резистор

U = Um/Ö2, I = Im/Ö2.

Сигналы в АИС могут быть синусоидальными:

- случай, когда сигнал входа начинается не из 0.

При зависимости входного сигнала от частоты f реактивные элементы L и С искажают входные сигналы. В схемах с такими элементами закон Ома будет справедлив, если использовать понятие импеданс, или полное сопротивление. Соответственно для резистора, конденсатора и индуктивности импеданс определяется следующим образом:

.

Величина тока, соответственно:

Диапазоны изменения и усиления сигналов в АИС очень велики, поэтому используют логарифмические масштабы и нормализованные величины. Самая распространенная единица измерения величин сигналов – децибелл.

ДЕЦИБЕЛ: аппарат измерения амплитуды синусоидальных сигналов.

дБ = 20 lg(A₂/A₁).

А - амплитуды сигналов:

· если А₂ больше А₁ - отношение положительное, +20 или другое число,

· если меньше - отрицательное, -20 дБ и т.д.

Аналогично можно считать отношение мощностей:

дБ = 10 lg(P₂/P₁).

Вводят эталонную амплитуду дБВ - 1 Вольт.

3 дБ = 20 lg(A₂/A₁) Þ значит, A₂/A₁ @ 1,4;

6 дБ = 20 lg(A₂/A₁) Þ …….» 2;

8 дБ = 20 lg(A₂/A₁) Þ …….» 2,5,

10 дБ = 20 lg(A₂/A₁) Þ ……….» 3,1.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХСХЕМ

Пассивные элементы: резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды.

Активные элементы: транзисторы.

ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АИС

Интегральный резистор (ИР). Интегральное исполнение резисторов определяет распределенный характер их параметров, который необходимо учитывать в модели сопротивления для схемотехники.

Структура резистора выглядит следующим образом для двух основных технологических маршрутов:

L

U_ип L W R W

R Si^* x_j

n⁺ SiO₂

x_j p p p

n

биполярная структура МДП- структура

Номинал сопротивления рассчитывается по формуле:

R=n_. Нужно знать поверхностное сопротивление в Ом/квадрат и число квадратов n_.

Большие номиналы резисторов выполняются в виде меандров, они занимают большие площади, поэтому их выполняли прежде в гибридном исполнении. Например, резистор 50 кОм занимает площадь, равную площади 7 ИБТ или 50 МДПТ.

I_R пробой

раб.обл.

U

Каждый резистор конструктивно имеет распределенную емкость обратно-смещенного перехода в первом случае или МДП- типа во втором.

Эквивалентная электрическая схема интегрального резистора чаще всего представляется следующим образом:

R уровень распределенности может быть выше.

Þ C/2 C/2

В интегральной структуре сопротивление верхнего и нижнего слоев тела резистора может отличаться, поэтому более точная модель резистора может выглядеть следующим образом:

1 R1 2

П-образная схема резистора

С1 С2

3 R2 4

Определение параметров эквивалентной схемы резистора.

По слоям (r₀ – погонное сопротивление/ед. длины).

Для определения емкостей находим величины зарядов:

при К.З. узлов 2-4 определяем емкость на зажимах 1-3,

где С₀(l) - удельная емкость на квадрат площади, u(l) - напряжение в точке l.

Если пренебречь изменениями тока,

В случае проводящего нижнего слоя (r₀₂ = 0), R₂ = 0, формулы упрощаются соответственно.

RС- структуры могут быть однородными (С/ = const, R/ = const) или неоднородными (C/ = var, R/ = var).

Паразитный RC- эффект можно использовать для создания специальных схемных функций. RC- структуры используют в качестве ускоряющих,интегрирующих или дифференцирующих цепочек:

R ускоряющая цепь

C

R1

C1 C2 линия задержки

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 =Ö(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 Þ 0, т.е. получили фильтр высоких частот (ВЧФ).

w

Для синусоидального сигнала единичной амплитуды

R>> 1кОм.

Для 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_S

логарифм. масштаб

.

для синусоидальных сигналов.

При малых RС (®¥) U_вых ®0 - получили фильтр низких частот.

Выход фильтра низких частот (НЧФ) можно использовать как самостоятельный источник питания: при больших RС, U_вых<< U_вх Þ 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) , t = 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 w (логарифмический масштаб)

1 10 100

w_-3дБ = 1/RC

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

Высокочастотные параметры резисторов

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

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

R = R⁰(1 + TKC ×DT), DT- 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.

Для 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 = í 10 ИБТ

100 МДПТ.

Добротность Q| _{f =1 МГц} = f/Df @ 3000,).

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

Для пленочного МДП- конденсатора (в биполярной схеме) отношение С₁/С_пар » 4, значит, коэффициент передачи напряжения С₀/С_S ~ 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

Дата добавления: 2013-12-12