Что такое полупроводниковые биполярные интегральные микросхемы?

Биполярными называют такие полупроводниковые ИМС, базовыми элементами которых являются биполярные транзисторы (вертикальные р-n-р и n-р-n-типов, горизонтальные р-n-р и n-р-n — структуры и т.д.). Назначение её это генерирование и обработки сигналов, запись, хранение и воспроизведения информации.

Классификация. Полупроводниковые биполярные ИМС классифицируют по большинству тех признаков, по которым классифицируют полупроводниковые ИМС. Cпецифической для них является классификация по структуре. Полупроводниковые биполярные ИМС могут иметь диффузионно-планарную или эпитаксиально-планарную структуру, в которой элементы изолируются возвратно смещенным р-n-переходом; структуру с диэлектрической изоляцией слоем Безымянный или высокоомной сапфировой подложкой.

Условные изображения и обозначения. Специальных условных изображений полупроводниковые биполярные ИМС не имеют.

Строение. Если структура диффузионно-планарная, все элементы полупроводниковых биполярных ИМС изготавливают в кремниевой пластине р-типа проводимости (Рис. 1).

Диффузионно-планарная структура полупроводниковой биполярной ИМС

Рис. 1. Диффузионно-планарная структура полупроводниковой биполярной ИМС

В эпитаксиальной-планарной структуре все элементы ИМС изготавливают в эпитаксиальном слое кремния n-типа, выращенном на кремниевой пластине р — типа (Рис. 2).

Безымянный

Рис. 2. Эпитаксиальная-планарная структура полупроводниковой биполярной ИМС

В структурах с диэлектрической изоляцией (рис. 3) каждый элемент ИМС расположен в своеобразном «кармане», который является участком монокристаллического кремния, окутанным слоем окиси кремния.
В структурах «кремний на сапфире» (КНС) основой ИМС является высокоомная сапфировая подложка, на которой эпитаксиальным способом выращено островки кремния n-типа, в которых сформированы отдельные элементы (рис. 4).

Фрагмент структуры полупроводниковой биполярной ИМС с диэлектрической изоляцией слоем

Рис. 3. Фрагмент структуры полупроводниковой биполярной ИМС с диэлектрической изоляцией слоемБезымянный

Фрагмент КНС структуры полупроводниковой ИМС

Рис. 4. Фрагмент КНС структуры полупроводниковой ИМС

Электрическая схема (а) и соответствующая ей топология (б) полупроводниковой биполярной ИМС показаны на рис. 5.

Полупроводниковая биполярная ИМС: а - электрическая схема; б - топология

Рис. 5. Полупроводниковая биполярная ИМС: а — электрическая схема; б — топология

Из рис. 5 видно, что на поверхности кристалла является только верхний слой структуры — коммутация, которая размещена на диэлектрическом слое Безымянный или на сапфировой подложке. Все остальные элементы содержатся в объеме кристалла. Контуры нижних слоев прослеживаются только за неоднородностями окислительного слоя. Основными элементами биполярных полупроводниковых ИМС является n-р-n-транзисторы. Их преимущественно изготавливают из скрытым Безымянный-слоем (рис. 6).

Структура транзисторов эпитаксиальной-планарной ИМС

Рис. 6. Структура транзисторов эпитаксиальной-планарной ИМС: а — без скрытого Безымянный -слоя; б — со скрытым Безымянный-слоем

Изготовлен низкоомный Безымянный -слой шунтирует высокоомный коллекторской участок и вследствие этого уменьшает последовательное сопротивление коллектора, сохраняя малую емкость и высокое пробивное напряжение перехода коллектор-база. Это увеличивает крутизну вольт-амперной характеристики транзистора и улучшает его импульсные свойства. Относительное размещение n— и p— участков биполярных транзисторов может быть симметричным и асимметричным (рис. 7). Симметричные конструкции имеют меньшое сопротивление коллектора.

Топология биполярных интегрированных транзисторов: а - асимметричных; б - симметричных

Рис. 7. Топология биполярных интегрированных транзисторов: а — асимметричных; б — симметричных

Рассмотренные выше интегрированные транзисторы имеют вертикальное расположение участков n— и р— типа и поэтому получили название вертикальных. Существуют также горизонтальные транзисторы с горизонтальным размещением n— и р— участков (рис. 8).Типичная конструкция горизонтального р-n-р- транзистораРис. 8. Типичная конструкция горизонтального р-n-р- транзистора

Все остальные элементы биполярных полупроводниковых ИМС изготавливают, используя р-n- переходы или р- и n- участок биполярных транзисторов. Это упрощает производство, повышает технологичность
изделий, снижает их стоимость. Диоды биполярных полупроводниковых ИМС специально не конструируют, а получают их из транзисторов, используя для этого их р-n-перехода. Существуют пять основных схем введения транзистора в диодную структуру (рис. 9). Полученные диоды существенно отличаются между собой параметрами.Основные способы получения диодов с р-n-переходов транзисторов

Рис. 9. Основные способы получения диодов с р-n-переходов транзисторов

Варианты формирования конденсаторов биполярных полупроводниковых ИМС на эмиттерном и коллекторном р-n-переходах

Рис. 10. Варианты формирования конденсаторов биполярных полупроводниковых ИМС на эмиттерном и коллекторном р-n-переходах

Из рис. 9 видно, что первый диод использует переход база-эмиттер с коллектором, закорочен на базу; второй — переход коллектор-база с эмиттером, закорочен на базу; третий — параллельное включение обоих р-n-переходов; четвертый — переход база-эмиттер с разомкнутым кругом коллектора; пятый — переход база-коллектор с разомкнутым кругом эмиттера. Конденсаторы биполярных полупроводниковых
ИМС получают из обратносмещенных р-n-переходов транзисторов и смежных с ними участков (рис. 10). По своей сути они являются варикапами. Топология таких конденсаторов приведена на рис. 11.

Топология конденсаторов биполярных полупроводниковых ИМС

Рис. 11. Топология конденсаторов биполярных полупроводниковых ИМС

Структуры резисторов биполярных полупроводниковых ИМС: а, б, в - изготовленных на основе эмиттерной, базовой, коллекторной участков соответственно; г - пинч-резисторы

Рис. 12. Структуры резисторов биполярных полупроводниковых ИМС: а, б, в — изготовленных на основе эмиттерной, базовой, коллекторной участков соответственно; г — пинч-резисторы

Структуры резисторов биполярных полупроводниковых ИМС: д - ионно-легированные на основе эпитаксиального (коллекторного) слоя; е - ионно-легированные на основе базового слоя.

Рис. 12 (продолжение). Структуры резисторов биполярных полупроводниковых ИМС: д — ионно-легированные на основе эпитаксиального (коллекторного) слоя; е — ионно-легированные на основе базового слоя.

Резисторы, изготовленные из диффузионного слоя, над которыми размещен слой с противоположным типом проводимости, называют пинч-резисторы. При подаче на верхний слой запорного потенциала эффективное поперечное сечение нижнего слоя уменьшается, в результате чего сопротивление резистора возрастает. Ионно-имплантированные слои имеют малую толщину, а потому имеют большое удельное сопротивление, что позволяет изготавливать из них высокоомные резисторы. Точная дозировка примесей дает возможность обеспечивать высокую точность таких резисторов. В плане низкоомные интегрированные резисторы имеют прямолинейную конфигурацию, среднеомные — суженную середину, высокоомные — форму типа «меандр» или пинч-конструкцию (рис. 13).

Топология резисторов биполярных полупроводниковых ИМС

Рис. 13. Топология резисторов биполярных полупроводниковых ИМС

Коммутация биполярных полупроводниковых ИМС имеет вид, показанный на рис. 11-12. Изготавливают ее преимущественно с алюминиевых пленок, нанесенных поверх диэлектрического слоя Безымянный, сформированного на поверхности полупроводникового кристалла. Кроме пленочных проводниковых соединений, в полупроводниковых ИМС используют еще диффузные перемычки (Рис. 14).Структура диффузионной перемычки

Рис. 14. Структура диффузионной перемычки

Катушки индуктивности, дроссели и трансформаторы в полупроводниковых ИМС не делают, поскольку такие элементы требуют больших размеров. Можно показать, что в основном, генерируя или обрабатывая электрические сигналы, можно обойтись без индуктивных элементов. Если они обязательно нужны, в биполярных полупроводниковых ИМС их можно реализовывать, используя для этого схемные решения (рис. 15).Индуктивные элементы биполярных полупроводниковых ИМС: а - индуктивный транзистор; б - реактивный транзистор

Рис. 15. Индуктивные элементы биполярных полупроводниковых ИМС: а — индуктивный транзистор; б — реактивный транзистор

Специфические конструкции имеют полупроводниковые биполярные ВИМС. Вследствие большей по малые и средние ИМС количества элементов они имеют большие размеры. Количество внешних выводов в корпусах может достигать 50. Если нужно большое количество выводов, применяют адресные устройства, которые управляют вводом и выводом информации или изготавливают на одном кристалле или
на одной плате все устройство. Специфической является внутренняя структура этих ВИМС. Их могут изготавливать на приборной или ячеистой уровнях. В первом случае их элементами являются транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др. Во втором элементами схемы типичные ячейки, вентили, триггеры. Основными требованиями к элементам ВИМС является минимизация их геометрических размеров и площади кристалла. Эти требования удовлетворяет интегральная инжекционная логика (Безымянный) (рис. 16) и изопланарные транзисторы (рис. 17).вентиль: а - структура; б, в - эквивалентные схемы

Рис. 16.Безымянныйвентиль: а — структура; б, в — эквивалентные схемы

Структура изопланарных транзисторов: а - типа р-n-р; б - типа n-р-n-(б) на эпитаксиальных р-пленкахРис. 17. Структура изопланарных транзисторов: а — типа р-n-р; б — типа n-р-n-(б) на эпитаксиальных р-пленках

Свойства. Основу биполярных полупроводниковых ИМС составляют высококачественные активные элементы, типичные параметры которых приведены в табл. 2.2-2.3. Технология их изготовления хорошо отработана. Из всех известных активных элементов предпочтение отдается в биполярных ИМС n-р-n-транзисторам. Объясняется это их большим быстродействием и простой технологии.

Таблица 2.2 Типичные параметры интегрированных n-р-n-транзисторов

Типичные параметры интегрированных n-р-n-транзисторов

Таблица 2.3 Типичные параметры интегрированных диодов

Типичные параметры интегрированных диодов

Вместе с тем, высокая плотность компоновки элементов, их пространственное размещение обусловливают появление значительных паразитных эффектов, которые вместе с низкой подвижностью носителей снижают быстродействие полупроводниковых ИМС. А высокая теплочуствительность полупроводниковых материалов снижает термостабильность полупроводниковых интегрированных устройств.
Одновременное изготовление вместе с активными элементами, которые взяты за основу пассивных элементов, не позволяет обеспечить им высокое качество (табл. 2.4,2.5).

Таблица 2.4 Типичные параметры резисторов полупроводниковых биполярных ИМС

Типичные параметры резисторов полупроводниковых биполярных ИМС

 Таблица 2.5 Типичные параметры конденсаторов полупроводниковых биполярных ИМС

Типичные параметры конденсаторов полупроводниковых биполярных ИМС

Сегодня в виде полупроводниковых биполярных ИМС реализуют наибольшее количество цифровых схем, так как они содержат большее количество активных элементов, а эти элементы, как отмечалось выше, является основой таких ИМС. По видам электрических сигналов, действующих на входах цифровых ИМС, последние делятся на потенциальные, импульсные и потенциально-импульсные. В цифровых потенциальных ИМС сигналы — это постоянные напряжения определенной величины. Эти напряжения существуют постоянно, пока соответствующие им логические переменные сохраняют свое значения. В импульсных цифровых ИМС действуют сигналы в виде импульсов напряжения определенной продолжительности и амплитуды. В потенциально-импульсных цифровых схемах оба вида сигналов. Большинство типов современных цифровых ИМС принадлежат к классу потенциальных. Схемотехническая реализация различных потенциальных ИМС, реализующих сложные логические функции (операции), построена на типичных базовых функциональных элементах, которые реализуют элементарные логические функции логического сложения, логического умножения, логического отрицания. По виду реализованных логических функций функциональные элементы цифровых ИМС делятся на два класса. К первому классу относятся функциональные элементы одноступенчатой логики, которые
реализуют простые логические функции И, ИЛИ, НЕТ, И-НЕТ, ИЛИ-НЕТ. ИМС, которые выполняют только функции И-НЕТ или ИЛИ-НЕТ, называют основными логическими элементами. Ко второму классу относятся функциональные элементы двухступенчатой логики, которые реализуют сложные логические функции: И-ИЛИ, ИЛИ-И, НЕТ-И-ИЛИ, И-ИЛИ-НЕТ, И-ИЛИ-И и др. Их получают внутренним соединением между собой функциональных элементов одноступенчатой логики. Из сказанного выше следует, что цифровые ИМС реализуют ограниченный набор функций. Учитывая это их можно охарактеризовать единственной системой электрических параметров. Так, например, распространены потенциальные цифровые ИМС характеризуют следующими основными параметрами: потенциалами Безымянный и Безымянный, которые соответствуют 0 и 1; порогами переключения Безымянный; нагрузочной способностью — коэффициентом разветвления по выходу n; коэффициентом объединения по входу m; среднее время задержки сигнала Безымянный; помехоустойчивостью по помехам с положительной полярностью Безымянный с и отрицательной полярности Безымянный потребляемой мощностью Безымянный или током Безымянный; работой переключения А; логическим перепадом Безымянный. Большинство параметров цифровых ИМС определяют за их передаточными, выходными и переходными характеристиками. Передаточная характеристика Безымянный показывает зависимость потенциала на выходе от потенциала на одном из входов при постоянных значений Безымянный или Безымянный на других входах. По типу передаточной характеристики цифровые ИМС разделяют на инвертувальные, на выходе которых образуется инверсия входных логических сигналов (элементы НЕТ, И-НЕТ, ИЛИ-НЕТ), и неинвертувальные, на выходе которых
образуется неинверсний логический сигнал (элементы И, ИЛИ и т.д.). Типичная передаточная характеристика инвертувального логического элемента показана на рис. 18, а, неинвертувального — на рис. 18, б. Из рис. 18 видно, что они имеют три явно выраженные участки: I — соответствует состоянию Безымянный; II — состоянию Безымянный, III — промежуточному состоянию. Значение Безымянный, соответствующие границам участков, называют порогами переключения Безымянный, участок между порогами — зоной неопределенности Безымянный.

Передающие характеристики логического элемента: а - инвертувального; б - неинвертувального

Рис. 18. Передающие характеристики логического элемента: а — инвертувального; б — неинвертувального

Статическая помехоустойчивость характеризует максимально допустимое напряжение статической помехи, которая может действовать на эту ИМС, не нарушая ее работоспособности. Логическая ИМС в статическом режиме может находиться в одном из двух состояний — открытом или закрытом. Поэтому различают помехоустойчивости закрытой схемы относительно отпиральной помехи Безымянный и открытой схемы относительно запорной помехи Безымянный.

Статическими принято называть помехи, значение которых остается постоянным в течение времени, значительно превышает длительность переходных процессов в схеме. Причиной помех часто является падение напряжения в проводниках, которые соединяют ИМС устройства. Самые опасные помехи возникают в шинах питания. К действию помех чувствительные ИМС, которые имеют большой разброс входных характеристик и малый перепад логических уровней. Поэтому помехоустойчивость логических ИМС зависит от типа схемы, режима работы транзистора, напряжения питания и топологии.

Передающая характеристика логического элемента с петлей гистерезиса шириной

Рис. 19. Передающая характеристика логического элемента с петлей гистерезиса шириной Безымянный

Часто для характеристики логических ИМС используют не абсолютное значение напряжения помехи, а его отношение к напряжению минимально допустимого перепада логических уровней Безымянный. В
таком случае помехоустойчивость ИМС характеризуется коэффициентом статической помехоустойчивости:Безымянный

Если на входах схемы установлены логические уровни Безымянный или Безымянный, то при поступлении положительной потенциальной помехи величиной Безымянный и отрицательной помехи Безымянныйпроисходит переключение, которое не предусмотрено нормальным логическим функционированием (происходит сбой). Максимально допустимую величину потенциальной помехи, которая не вызывает сбоя в цифровой схеме, называют помехоустойчивостью и определяют по формулам:Безымянный

Эффективным средством повышения помехоустойчивости микросхем является получение гистерезиса на их передающей характеристике (рис. 19). Выходные характеристики цифровых ИМС, выражающие зависимость) Безымянный и Безымянныйпоказано на рис. 20.

Выходные характеристики цифровой ИМС

Рис. 20. Выходные характеристики цифровой ИМС

Наклон выходных характеристик определяет выходные сопротивления схемы, которые конечно нелинейные Безымянный

где Безымянныйи Безымянный -выходные токи, поступающих и исходящих.
Нагрузочная способность характеризует максимальное количество ИМС, аналогичных той, которая рассматривается, которую можно одновременно подключить к ее выходу без искажения передачи информации. Часто нагрузочную способность называют коэффициентом разветвления по выходу и обозначают через n. Чем больше n, тем шире логические возможности ИМС. Но с повышением n ухудшаются другие параметры микросхем, преимущественно статическая помехоустойчивость и время задержки сигнала. Поэтому в одну серию входят ИМС с разной нагрузочной способностью. Конечно n колеблется в пределах от 4 до 25. Коэффициент объединения по входу m характеризует максимальное количество логических входов ИМС. С увеличением m расширяются логические возможности микросхемы. Но повышение m, как правило, ухудшает другие параметры микросхемы, в частности ее быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочную способность.
Поэтому в одну серию входят ИМС с разным коэффициентом объединения по входу. Конечно m лежит в пределах от 2 до 4. Для увеличение m в серию часто вводят специальную ИМС «логический расширитель», подключение которой к входу увеличивает коэффициент объединения по входу до 10 и больше. Важной характеристикой цифровых ИМС является их быстродействие. Ее характеризует время задержки включения Безымянный и выключение Безымянный схемы, которые являются промежутками времени между моментами достижения входным и выходным потенциалами порога переключения и Безымянный. Их определяют из переходных характеристик, выражающие зависимость Безымянный (Рис. 21).Переходные характеристики: а - неинвертувальной; б - инвертувальной цифровых ИМС

Рис. 21. Переходные характеристики: а — неинвертувальной; б — инвертувальной цифровых ИМС

Зная Безымянный и Безымянный, можно определить среднее время задержки сигнала цифровой ИМС (далее — время задержки):Безымянный

Время задержки сигнала зависит, главным образом, от режима работы транзистора (насыщенный или ненасыщенный) и потребляемой мощности.
По времени задержки сигнала цифровые ИМС делятся на следующие классы:
• над быстродействующие Безымянный
• быстродействующие Безымянный
• средней производительности Безымянный
• малой производительности Безымянный
Мощность, которую потребляет ИМС, выражается выражениемБезымянный

 где Безымянный — напряжение Безымянный-го источника питания; Безымянный — ток в соответствующем выводе схемы. Потребляемая логической ИМС мощность в любой момент времени не является постоянной, а зависит от логического состояния логического элемента. Потому как основной параметр используют не мгновенное, а среднее значение мощности (далее — потребляемой мощности):Безымянный

где Безымянный и Безымянный в — мощности, которые потребляют ИМС в состояниях «Включено» и «Отключено» соответственно.

Такое определение верно, когда потребляемая ИМС мощность в статическом состоянии значительно больше потребляемой мощности во время переходных процессов. В другом случае ИМС характеризуются еще одним средним значением мощности, потребляемой при максимальной частоты переключения логического элемента. Между тем задержки сигнала и потребляемой мощностью является обратно пропорциональна зависимость (рис. 22). Поэтому цифровые ИМС, которые потребляют большую мощность, имеют большую быстродействие.Зависимость времени задержки сигнала и работы переключение от потребляемой мощности

Рис. 22. Зависимость времени задержки сигнала и работы переключение от потребляемой мощности

Важным параметром цифровых ИМС является работа переключения. Определяют ее произведением времени задержки сигнала на потребляемую мощность:Безымянный

Ее зависимость от потребляемой мощности имеет вид, приведенный на рис. 22.
По схемотехнические реализацией основных логических функций биполярные цифровые ИМС делятся на следующие основные группы:
1) транзисторную логику с непосредственными связями (ТЛНЗ)
2) резистивно-транзисторную логику (РТЛ)
3) резистивно-емкостно-транзисторную логику (РЕТЛ)
4) диодно-транзисторную логику (ДТЛ)
5) транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
6) аналоги-связанную логику (АСЛ)
7) инжекционную логику (ИИЛ, И2Л).

Основная цифровая схема ТЛБЗ приведена на рис. 23. Она реализует функцию ИЛИ-НЕТ.

Основная цифровая схема ТЛНЗРис. 23. Основная цифровая схема ТЛНЗ

Преимущества этих схем заключаются в их простоте (используется только два типа элементов), малой потребляемой мощности, сравнительно высоким быстродействиям, высоком коэффициенте объединения по входу (m≥8). Недостатком является влияние на параметры схемы разброса входных характеристик транзисторов. Поэтому ТЛНЗ не обеспечивает высокой нагрузочной способности (n ≤4) и имеет низкую помехоустойчивость Безымянный. Учитывая это такой тип логики теперь используют ограниченно. Лучшие параметры имеют схемы РТЛ. У них разброс входных сопротивлений компенсируется резисторами в базовых цепях транзисторов (рис. 24).Основная цифровая схема РТЛ

Рис. 24. Основная цифровая схема РТЛ

Это позволило повысить помехоустойчивость, значительно снизить рабочие токи, обеспечить более высокие значения коэффициентов n и m (n≥ 4 и m≥ 8). Но одновременно это привело к снижению быстродействия Безымянный Для повышения быстродействия схем РТЛ параллельно к базовому резистора включают формовочные конденсаторы и получают схемы РЕТЛ (рис. 25).

Основная цифровая схема РЕТЛРис. 25. Основная цифровая схема РЕТЛ

Основная цифровая схема ДТЛ

Рис. 26. Основная цифровая схема ДТЛ

Предельное быстродействие этой схемы Безымянный при сохранении высоких значений параметров n и m (n≥ 4, m≥ 8). Схемы РЕТЛ простые и экономичные, допускают большие разбросы номиналов элементов и напряжений питания. Общими недостатками ИМС ТЛНЗ, РТЛ и РЕТЛ является неравномерное распределение токов во входных цепях, низкая помехоустойчивость, имела быстродействие. Через них эти типы цифровых ИМС имеют ограниченное использование. Недостатки ИМС ТЛНЗ, РТЛ, РЕТЛ можно устранить, вводя в входящее круг логического элемента диоды. Получаем схему ДТЛ (рис. 26), с помощью которой в зависимости от включения и питания диодов можно реализовать функции И-НЕТ или ИЛИ-НЕТ. Схемы ДТЛ универсальные и имеют сравнительно низкую стоимость. В отличие от других типов цифровых схем, которые используют, в основном, для построения цифровых устройств ЭВМ, схемы ДТЛ преимущественно применяют в устройствах дискретной автоматики. В них удачно сочетаются такие важные параметры, как быстродействие, потребляемая мощность и помехоустойчивость.Схемы ТТЛ: а - без инвертора; б - с инвертором

Рис. 27. Схемы ТТЛ: а — без инвертора; б — с инвертором

Дальнейшим совершенствованием схем ДТЛ является схемы ТТЛ (рис. 27), в которых эмиттерные переходы многоэмитерного транзистора выполняют функцию, аналогичную к функции диодов в схемах ДТЛ, а коллекторный переход выполняет роль смещенного диода. Схемы ТТЛ занимают малую площадь, отличаются высоким быстродействием Безымянный и малой потребляемой мощностьюБезымянный. Учитывая это они распространены. Для повышения быстродействия логических элементов ТТЛ и ДТЛ целесообразно применить в них диоды и транзисторы Шоттки (рис. 28).

Схемы логических элементов И-НЕТ: а - на транзисторах Шоттки; б - на транзисторах и диодах Шоттки

Рис. 28. Схемы логических элементов И-НЕТ: а — на транзисторах Шоттки; б — на транзисторах и диодах Шоттки

В цифровых схемах на транзисторах Шоттки (ТШЛ) повышение быстродействия обусловлено двумя причинами: во-первых, в транзисторах Шоттки время рассеяния избыточного заряда Безымянный = 0; во-вторых, транзисторы Шоттки имеют высокое значение коэффициента В, в результате чего в них уменьшается время задержки сигнала до 2 … 3 нс. Недостатком логических элементов ТШЛ является их меньше по сравнению с ТТЛ помехоустойчивость в результате повышения уровня Безымянный и снижение порога Безымянный. Применение диодов и транзисторов Шоттки позволяет также существенно повысить быстродействие логического элемента ДТЛ с инвертором (рис. 27, б). Для построения ЭВМ высокой производительности и автоматических систем высокого быстродействия целесообразно использовать также цифровые ИМС на переключателях тока, так называемые схемы ЭСЛ, которые состоят из двух частей: переключателя тока (дифференциального усилителя) и эмиттерного повторителя (рис. 29).

Основная цифровая схема ЭСЛ

Рис. 29. Основная цифровая схема ЭСЛ

В них эмиттерный повторитель, который выполняет роль усилителя мощности, обеспечивает согласование между выходными и входными логическими уровнями схемы и ее высокую нагрузочную способность. Высокое быстродействие этих схем обеспечивается ненасыщенным режимом работы транзисторов, малым перепадом логических уровней (≈ 0,7-0,8 В) и малым входным сопротивлением,
который уменьшает влияние нагрузочных емкостей. Цифровые ИМС инжекционной логики (И2Л) не имеют аналогов среди схем на дискретных элементах, их специфические особенности заключаются в высокой плотности компоновки элементов, малой рассеиваемой мощности, высоким быстродействиям, малой работе переключения. На примере логического элемента И2Л, структура и электрическая схема которого приведена на рис. 30, покажем, за счет чего это достигается.Логический элемент инжекционной логики И2Л: а - структура; б - электрическая схема

Рис. 30. Логический элемент инжекционной логики И2Л: а — структура; б — электрическая схема

Электрическая схема состоит из инжектора транзистора VТ1, который выполняет роль генератора тока и инжектирует неосновные носители в базовой участок переключающего транзистора VТ2. Последний — это многоколекторный транзистор, аналог многоэмитерного транзистора, но в инверсном включении, так что диффузные участки Безымянный выполняют роль коллекторов. Особенностью структуры И2Л логических элементов является физическое объединение горизонтального р-n-р и вертикального n-р-n-транзисторов в результате совмещения коллекторного участка инжектувального транзистора VТ1 с базовым участком переключающего транзистора VТ2 и базы инжектора с эмиттером переключателя.

В результате повышается плотность компоновки элементов (до 300 … 400 вентилев на 1 мм2), уменьшает количество печатных проводников на поверхности кристалла, поскольку они соединяются между собой только логические элементы, а соединения внутри логических элементов осуществляются диффузионными слоями. Электрические схемы инжекционной логики И2Л не имеют в своем составе
резисторов, поэтому они рассеивают малую мощность и имеют малую работу переключения (0,1 … 1 пДж). Кроме того, для них характерны малая паразитная емкость, обусловленная малыми размерами и низкой плотностью пленочных поверхкристальных соединений и малыми площадями p-n-переходов, отсутствие накопления зарядов и небольшой перепад логических уровней, способствует повышению быстродействия (Безымянный). Вместе с тем, малый перепад логических уровней снижает помехоустойчивость инжекционных логических элементов, а преимущества, обусловленные высокой плотностью
компоновки элементов, в полной мере могут быть реализованы только в ИМС высокой степени интеграции. Аналоговые схемы часто изготавливают в виде гибридных ИМС, технология которых пригодна для изготовления пассивных элементов, в точности и стабильности которых ставят жесткие требования. Если требования к параметрам пассивных элементов не очень жесткие, аналоговые схемы можно изготавливать в полупроводниковом виде. Кроме того, нередки случаи, когда в аналоговых ЭА рядом с аналоговыми используют узлы, созданные на базе цифровых ИМС (например, цифровое табло, синтезаторы частоты, устройства цифровой обработки и передачи данных). Анализ показывает, что аналоговые схемы по характеру выполняемых функций подразделяют на следующие основные группы: усилители, генераторы, преобразователи, коммутаторы, схемы вторичных источников питания, фильтры, стабилизаторы напряжения, схемы фазовой подстройки частоты, схемы сопряжения и т. д.
Функции, выполняемые аналоговыми схемами, а следовательно, и требования к ним настолько разнообразны, что создать единую систему их параметров невозможно. В отличие от цифровых схем, каждый класс аналоговых схем характеризуется набором определенных специфических параметров. Сегодня практически все названные группы аналоговых схем реализованы в виде полупроводниковых или гибридных ИМС. Базовым элементом в полупроводниковых аналоговых ИМС является n-р-n-транзисторе. Усилительные каскады на n-р-n-транзисторе с резистивной нагрузкой приведены на рис. 31.

Усилительные каскады на биполярном транзисторе: а - с однополярным; б -с двополярным питанием, реализованные в виде полупроводниковых биполярных ИМС

Рис. 31. Усилительные каскады на биполярном транзисторе: а — с однополярным; б -с двополярным питанием, реализованные в виде полупроводниковых биполярных ИМС

Недостатком этих аналоговых ИМС является малый коэффициент усиления. Для его повышения смысл в схемах усилителей использовать составляющие транзисторы (рис. 32)

Составляющие транзисторы: а - пара одинакового типа; б - пара различного типа

Рис. 32. Составляющие транзисторы: а — пара одинакового типа; б — пара различного типа

В виде полупроводниковых ИМС изготавливают также схемы смещения уровня (рис. 33).

Схема смещения уровня, реализована в виде полупроводниковой биполярной ИМС

Рис. 33. Схема смещения уровня, реализована в виде полупроводниковой биполярной ИМС

Электрические схемы каскадов аналоговых ЭА, построенные на маломощных транзисторах, имеют низкую нагрузочную способность, через которую до их выхода невозможно подсоединить низкоомные нагрузки, потребляет большие токи. Чтобы это стало возможным, к выходу таких схем предварительно (перед подключением нагрузки) подключают специальные выходные каскады (рис. 34), которые обеспечивают необходимую нагрузочную способность. В зависимости от соотношения в них активных и пассивных элементов изготавливают их в полупроводниковом или гибридном виде. К распространенным аналоговых ИМС принадлежит дифференциальный усилитель, который является основой двовходовых усилителей симметричных и несимметричных сигналов, в частности операционных усилителей. Как правило, такие усилители являются усилителями постоянного тока и потому имеют непосредственные связи между каскадами (Рис. 35). Важнейшее требование, которое относится к дифференциальному усилителю идентичность параметров элементов, входящих в противоположные плечи. Если это требование не выполняется, то наблюдается недопустимых дрейф нуля на выходе усилителя. Принципиальным достижением ИМС является возможность получения идентичных параметров элементов, размещенных на одном кристалле.

Выходные каскады, реализованные в виде полупроводниковых ИМС: а, б - на комплементарных транзисторах соответственно без напряжения смещения и с напряжением смещения; в - на однотипных транзисторах

Рис. 34. Выходные каскады, реализованные в виде полупроводниковых ИМС: а, б — на комплементарных транзисторах соответственно без напряжения смещения и с напряжением смещения; в — на однотипных транзисторах

Дифференциальный усилитель, реализованный в виде полупроводниковой биполярной ИМС: а - схема; б - передаточная характеристика

Рис. 35. Дифференциальный усилитель, реализованный в виде полупроводниковой биполярной ИМС: а — схема; б — передаточная характеристика

Другой аналоговой схемой, которую чаще всего применяют в интегрированной схемотехнике, есть генератор стабильного тока (рис. 36). Она позволяет устанавливать стабильный ток в широком диапазоне значений и обеспечивать его постоянство в значительном интервале температур.

Схемы генераторов: а - с резисторами в эмиттер транзистора; б - без них, реализованы в виде полупроводниковых биполярных ИМС

Рис. 36. Схемы генераторов: а — с резисторами в эмиттер транзистора; б — без них, реализованы в виде полупроводниковых биполярных ИМС

Схема операционного усилителя, реализованная в виде полупроводниковой биполярной ИМС

Рис. 37.Схема операционного усилителя, реализованная в виде полупроводниковой биполярной ИМС

Еще более распространенной аналоговой схеме, которая реализована в интегрированном виде, является операционный усилитель. Это двухвходовой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления ( ≈ 105 … 106 и более), высоким входным и низким выходным сопротивлением, который использует глубокие отрицательные обратные связи (рис. 37). Применяя обратные связи, с помощью операционного усилителя можно реализовать самые разнообразные функции: усиление, интегрирование, дифференцирование, стабилизации напряжения, генерирования сигналов, масштабирование,
фильтрации и т. д. В полупроводниковом и гибридном видах изготавливают значительное количество аналоговых схем, предназначенных для приемно-усилительной аппаратуры. На низких и средних частотах предпочтение часто отдают полупроводниковым микросхемам, на высоким — гибридным. Примером этого может служить изготовлен в полупроводниковом виде усилитель низких частот, схема которого приведена на рис. 38.Схема усилителя низких частот, реализованного в виде полупроводниковой биполярной ИМС

Рис. 38. Схема усилителя низких частот, реализованного в виде полупроводниковой биполярной ИМС

 Электрическая схема аналогового умножителя, реализованного в виде полупроводниковой биполярной ИМС

Рис. 39. Электрическая схема аналогового умножителя, реализованного в виде полупроводниковой биполярной ИМС

Применение. Цифровые биполярные ИМС применяют для построения малогабаритных, высоконадежных и быстродействующих ЭВМ, персональных компьютеров, микропроцессоров, микрокалькуляторов, цифровых систем связи и телевидения, автоматизированных систем контроля и регулирования и тому подобное. Аналоговые биполярные ИМС используют для изготовления передающих и приемоусилительных устройств радиотехники, телевидения, радиолокации, метрологии и тому подобное.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*