.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Усилители постоянного тока и дифференциальные усилители

Усилители постоянного тока

Недостатком резисторного усилителя является наличие разделительных емкостей, ограничивающих полосу усиления снизу (). От этого недостатка свободен усилитель постоянного тока (УПТ) (рис. 15.30), не содержащий конденсаторов. Однако в схеме замещения усилителя присутствуют емкости транзистора и монтажная емкость. Отсутствие разделительных конденсаторов позволяет получить практически безынерционный усилитель с широкой полосой усиления от нуля до  (рис. 15.7). При изменении входного напряжения на величину  напряжение на сопротивлении нагрузки изменяется на величину , а на выходе . Недостатком УПТ является появление паразитного сигнала на выходе изза дрейфа нуля изменения постоянной составляющей тока   при изменении температуры или старении элементов.

 Рис. 15.30 Рис. 15.31

15.6.2. Дифференциальный усилитель

Для устранения недостатка УПТ (дрейф нуля) используется дифференциальный усилитель постоянного тока, содержащий два параллельно включенных УПТ. Простейшая схема этого усилителя приведена на рис. 15.31. При подаче на вход 1 изменения напряжения  изменяется ток коллектора  на величину   и потенциал точки 1на величину . При подаче на вход II изменения напряжения  изменяется потенциал точки 2 на величину . Изменение напряжения  между точками 1 и 2 определяется изменением разности потенциалов

усиленные сигналы вычитаются: 

 .

Схема работает как вычитатель сигналов.

Главное достоинство этой схемы уменьшение дрейфа нуля на одиндва порядка. Это определяется тем, что транзисторы и резисторы имеют очень близкие параметры, так как сделаны во время выполнения одного и того же технического процесса при изготовлении интегральных схем, при одинаковом изменении токов через транзисторы при изменении температуры потенциалы точки 1 и 2 изменяются одинаковым образом и вычитаются. Поэтому выходной сигнал практически не зависит от изменения температуры.

Вход II (клеммы II, ^) называется неинвертирующим, так как увеличение сигнала  приводит к увеличению  в той же фазе (с тем же знаком).

Вход I (клемма I, ^) называется инвертирующим, так как увеличение сигнала  приводит к уменьшению напряжения  сигнал на выходе противоположен полярности сигнала на входе I.

Коэффициенты усиления по обоим входам одинаковы по модулю и противоположны по знаку.

Дифференциальный усилитель работает хорошо, если транзисторы левого и правого плеч имеют близкие параметры, но даже при точном подборе транзисторов и резисторов дифференциальный усилитель на дискретных элементах имеет температурные параметры, значительно худшие, чем дифференциальный усилитель в интегральном исполнении. У последнего транзисторы и резисторы близки по своим температурным параметрам, т. к. изготовлены в результате одних и тех же технологических процессов, кроме того, они находятся настолько близко друг к другу, что при изменении окружающей температуры и разогреве схемы от протекающих токов их температура почти одинакова.

Дифференциальные усилители входят в состав много каскадных операционных усилителей (ОУ) и обязательно включены на входе ОУ.

15.7. Операционные усилители

Операционным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, характерный высоким коэффициентом усиления, а также большим входным и малым выходным сопротивлениями. Он почти всегда используется с внешней глубокой отрицательной обратной связью, определяющей его результирующие характеристики.

Операционные усилители выпускаются в виде полупроводниковых интегральных микросхем и применяются не только для выполнения математических операций, благодаря чему они получили свое название. Все чаще они используются в радиоэлектронных устройствах различного назначения. Этому способствует их низкая стоимость, близкая к стоимости отдельных транзисторов.


Структурная схема операционного усилителя приведена на рис. 15.32. Как видно из схемы, первый каскад, а иногда и второй являются

 Рис. 15.32

дифференциальными усилителями. Поэтому у операционного усилителя, показанного на рис. 15.32, имеются два входа: инвертирующий (обозначен знаком «») и неинвертирующий (обозначен знаком « + »).

Идеальный операционный усилитель. При анализе схем устройств, в которые входит операционный усилитель , можно получить значительное упрощения, если использовать представление об идеальном операционном усилителе. Идеальным называется операционный усилитель с входным сопротивлением для разностного сигнала Rex=, внутренним коэффициентом усиления по напряжению Кв= и выходным сопротивлением . Кроме того, предполагается, что коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности. В реальных операционных усилителях стремятся максимально повысить входное сопротивление. Например, входными каскадами операционного усилителя часто являются эмиттерные или истоковые повторители, поэтому ответвлением тока во входное сопротивление усилителя можно пренебречь, если сопротивления, подключаемые параллельно входу усилителя, на несколько порядков меньше входного сопротивления.

Анализ схем включения операционного усилителя упрощается также и потому, что идеальный усилитель за счет бесконечно большого внутреннего коэффициента усиления и выходного сопротивления, равного нулю, развивает конечное напряжение на любой выходной нагрузке, отличной от нуля, при входном напряжении, равном нулю. Это дает возможность при анализе схем полагать напряжение между зажимами (+) и () равным нулю. Также равным нулю считают ток, ответвляющийся в бесконечно большое входное сопротивление.

Принцип виртуального замыкания. Изложенное выше соответствует принципу виртуального замыкания входных зажимов операционного усилителя (рис. 15.33). При виртуальном замыкании, как и при обычном, напряжение между замкнутыми зажимами равно нулю. Однако, в отличие от обычного замыкания, ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет, т. е. в виртуальное замыкание ток не ответвляется. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание эквивалентно разрыву цепи.

Рис.15.33. Иллюстрация принципа виртуального  замыкания

Инвертирующая схема. На рис. 15.34а показана инвертирующая схема включения операционного усилителя.


 Рис. 15.34

 Применяя принцип виртуального замыкания, находим, что , а выходное напряжение , откуда коэффициент передачи напряжение

 . (15.5)

 Выражение (15.5) является точным лишь для идеального операционного усилителя. Для реального усилителя характерны погрешности.

 Неинвертирующая схема. Неинвертирующая схема включения операционного усилителя показана на рис. 15.34б . Напряжение с выхода усилителя подается на инвертирующий вход усилителя.

 Интегратор. Схема интегратора показана на рис. 15.35. При приложении ко входу напряжения иех в соответствии с принципом виртуального замыкания можно считать, что ток через резистор R равен , Этот ток заряжает конденсатор С и создает на нем напряжение, одновременно являющееся выходным:

 . (15.6)

Дифференциатор. Схема дифференциатора показана на рис. 15.36. Напряжение на входе в силу принципа виртуального замыкания является напряжением на конденсаторе. Заряжающий конденсатор ток . Этот ток, не заходя в усилитель, полностью проходит через сопротивление R, создавая на нем напряжение, являющееся выходным:

  . (15.7)

Логарифмирующие схемы. Для выполнения логарифмирования и обратной операции антилогарифмированияприменяются операционные усилители, в которых роль сопротивления Zcв или  выполняют диоды с плоскостным рп переходом. 

 Рис. 15.35 Рис. 15.36

Известно, что вольтамперная характеристика рп перехода определяется равенством

 , (15.8)

достаточно точным при . Логарифмируя это равенство, получаем

 . (15.9)

На рис. 15.37 показана логарифмирующая схема, в которой используется эмиттерный диод. Ток через сопротивление R, являющийся также и током через диод, . Напряжение на выходе

 . (15.10)

Суммируя выходные напряжения нескольких логарифмических усилителей, можно получить сумму логарифмов от нескольких напряжений, равную логарифму произведения этих напряжений. Обратную операцию нахождение произведения по логарифму можно осуществить с помощью антилогарифмирующей схемы (рис. 15.38).


 Рис. 15.37 Рис. 15.38

Напряжение на диоде равно входному напряжению. Ток через диод определяется равенством (15.8), откуда напряжение на выходе схемы

 . (15.10)

Применение логарифмирующих схем позволяет осуществить простые аналоговые умножители и делители.

Наряду с многостадийностью процесса формирования отдельно взятого слоя, процесс формирования многослойной структуры основывается на многократном проведении процессов легирования пластины с чередованием донорных и акцепторных примесей. В формировании слойного состава структуры ИМС диффузия, как процесс легирования, может применяться и один раз на всю структуру (однократный процесс), и несколько раз (многократный процесс). Ограничения на очередность применения процесса диффузии в формировании слоев структуры по отношению к иным процессам формирования слоев отсутствуют. Поэтому в многослойной структуре смежными по времени формирования могут быть:

слои диффузионные;

диффузионный слой и равномерно легированная пластина;

диффузионный и эпитаксиальный слои;

диффузионный и полученный ионной имплантацией слои.

Если смежные слои отличаются типом проводимости, то между ними образуется p-n-переход. Условием его образования, если хотя бы один из слоев диффузионный, является равенство

N(х) = N исх, (2.6)

где N исх— концентрация примеси в смежном слое на границе сопряжения с диффузионным слоем (см. рис. 2.5)

Условие (2.6) может быть выполнено, если значение No диффузионного слоя в сравнении с предшествующим слоем (Nисх) удовлетворяет неравенству

 Nо > N(х)исх. (2.7)

Границу полной компенсации между донорной и акцепторной примесями слоев определяют как металлургическую границу p-n-перехода с плавным распределением концентрации примеси в нем.

Достижимые уровни поверхностной концентрации в диффузионных процессах определяются предельной растворимостью примеси в примененном полупроводниковом материале. Для кремния, например, уровень растворимости не превышает (5×1020–1×1021) см–3.

Коэффициент диффузии примеси зависит от температуры, вещества примеси и легируемого основания. Температурные зависимости коэффициента D для примесей в кремнии приведены на рисунке 2.7 [7].

Эпитаксиальное наращивание — это процесс ориентированного наращивания слоя вещества на исходном монокристалле — подложке. Автоэпитаксией (гомоэпитаксией) называют ориентированное наращивание слоя вещества на основу из того же материала, возможно, отличающегося от подложки только примесным составом. Ориентированное наращивание вещества на подложку инородного состава называют гетероэпитаксией.

Процесс наращивания проводится при высоких температурах (1100–1200) °С (подобно диффузии) при сравнительно высокой скорости роста слоя (0,1–0,5) мкм/мин. Распределение примеси в легированном эпитаксиальном слое (ЭПС) для проектных расчетов обычно принимается квазиравномерным. Современная технология формирования многослойных структур допускает однократное применение ЭПС, преимущественно в качестве слабо легированных глубинных слоев структуры. Эпитаксиальные слои могут наращиваться на совместимые по форме кристаллической решетки полупроводниковые или диэлектрические подложки. В производстве ИМС пластины монокристаллического полупроводника или диэлектрика с нанесенным ЭПС могут поставляться специализированными предприятиями. Под ЭПС, по согласованию с потребителем, могут предварительно формироваться локальные «скрытые» диффузионные слои.

 В проектных расчетах металлургическую границу раздела ЭПС и монокристаллической полупроводниковой подложки обычно рассматривают как ступенчатый переход, а при разных типах проводимости — как резкий p-n-переход со ступенчатым изменением концентрации в нем.

Благодаря квазиравномерному распределению примесей применение ЭПС в конструкциях элементов ИМС позволяет в необходимых случаях снизить сопротивление слоев, расширить диапазон рабочих напряжений ИМС. Высокая, по сравнению с диффузией, скорость роста слоя позволяет повысить производительность труда по производству кристаллов ИМС.

Ионная имплантация (легирование) примесей наряду с диффузией широко используется в технологии изготовления ИС. В биполярных ИС применение ионного внедрения упрощает процесс получения эмиттеров малых площадей, поскольку здесь при локальном внедрении практически отсутствует боковое проникновение примеси под защитную маску. Низкие, в сравнении с диффузией, температуры проведения имплантации, исключают перераспределение примеси, позволяют совершенствовать технологию производства и технические показатели ИМС, сократить процент производственного брака. Для процесса ионного внедрения примеси характерны высокая однородность легирования поверхности пластины, точный контроль количества внедренной примеси. Применение ионной имплантации на стадии загонки примесей обеспечивает высокую повторяемость структур и электрических параметров элементов ИС.

Распределение примеси при имплантации представляется выражением [5]

 N(x) = [Q/dRp×√ 2π ] exp [–(x– Rp)2 /2× (dRp)2],  (2.8)

где Rp[см] — средний пробег имплантируемых ионов;

dRp[см] — среднее квадратичное отклонение пробега;

Q[см–2] — поверхностная плотность примеси (доза 1/см2) при имплантации;

P[Кл/см–2] — доза облучения в процессе имплантации.

Параметр Rp определяется экспериментально, либо в расчетах применяются табулированные значения [5] пробегов для наиболее распространенных систем «ион — мишень». Параметры dRp, Q, P оцениваются по формулам

dRp = (2×M1× M2) / 3×(M1+M2)2;

Q = P/ q×Z;

P = j× t,

в которых обозначены:

М1, М2 — соответственно массы имплантируемых ионов и мишени;

qZ — заряд иона;

j(Кл/см–2×сек) — плотность потока имплантируемой примеси;

t(сек) — время имплантации.

Cредний пробег и среднее квадратичное отклонение зависят от величины энергии имплантируемых ионов. Зависимости Rp и dRp [5], приведены на рисунке 2.8 для имплантации ионов бора, фосфора, мышьяка (зависимости с обозначениями B, P, As) в кремний.

Вместо графических зависимостей рисунка 2.8 можно пользоваться их аппроксимациями:

– для бора: lg(Rp) = –1,64 +1,24×lg(Е/10) – 0,16×lg2(Е/10);

  lg(Rp) = –1,84+0,67×lg(Е/10) – 0,085×lg2(Е/10);

– для фосфора: lg(Rp) = – 2,0 +1,5 ×lg(Е/10) – 0,23×lg2(Е/10);

  lg(dRp) = –2,30+1,15×lg(Е/10)–0,20·lg2(Е/10);

– для мышьяка: lg(Rp) = –2,20 +1,30×lg (E/10) – 0,12 × lg2(E/10);

 lg (dRp) = – 2,70 + 0,85×lg (E/10).

Выражение (2.8) соответствует нормальному закону распределения примеси относительно среднего пробега Rp. В качестве примера на рисунке 2.9 приведены распределения имплантированных атомов бора по глубине мишени для ряда значений энергий ионов при дозе имплантации 1015 ион/см2, которые наглядно иллюстрируют изменение максимумов концентраций и рассеяния атомов примеси по глубине мишени.

Для учета диффузионного перераспределения примеси в процессе отжига или иной высокотемпературной обработки имплантированного слоя пользуются следующим описанием распределения [1, 5]

N(x)=[Q/√2π×(dRp2+2××tр)]exp{– (x–Rp)2 /[2×(dRp)2+2××tр]},

(2.8a)

где Dр×tр [см2] — произведение коэффициента диффузии примеси Dр на время процесса температурной обработки tр.

Диапазон значений Rp для имплантируемых слоев не превышает (0,5–0,8) мкм, а допустимые значения дозы имплантации зависят от материала мишени легирующей примеси, не превышая (1014–1015) ион/см2.


На главную