 |
Аналоговые ячейки второго уровня. Их применение
|
|
|
|
К аналоговым ячейкам второго уровня можно отнести «дифференциальные пары», «токовые зеркала», «аналоговые ключи», «матрицы согласованных конденсаторов». От характеристик этих элементов зависит работа аналоговых блоков на их основе и, как следствие, работа ИМС в целом. Ниже приведена по ним краткая информация.
Дифференциальная пара (транзисторов) - схема, состоящая из двух транзисторов, соединенных вместе таким образом, что их истоки соединяются с общим резистором смещения (источником тока), который обеспечивает (задает) постоянный ток. На рисунках 1.2 и 1.3 приведены примеры построения дифференциальных пар.
Рис. 1.2. Простые дифференциальные пары: а) на n-МОП транзисторах; б) на p-МОП транзисторах
Рис. 1.3. Перекрестно - связанная пара с n - МОП входными транзисторами
Дифференциальная пара (ДП) представляет собой наиболее универсальный вид усилителя, функциональное назначение которого состоит в усилении разности входных сигналов. Они являются важными элементами в составе СФ-блоков. Дифференциальные пары во многом определяют свойства операционных усилителей и компараторов. В ряде случаев они имеют и самостоятельное применение.
Токовое зеркало - генератор стабильного тока, управляемый током. Чаще всего выходной ток равен управляющему или отличается от него в целое число раз. Токовые зеркала обычно применяется для того, чтобы «скопировать» один ток на множество каскадов, и тем самым задать их ток покоя.
Токовое зеркало - это схема, предназначенная для копирования через одно активное устройство, контролируя ток в другом активном устройстве цепи, сохраняя постоянный ток на выходе, независимо от нагрузки (Рис. 1.4). «Копируемый» ток может быть и иногда является переменным током.
|
|
|
Концептуально, идеальное токовое зеркало - это управляемый током источник тока (Рис. 1.5).
Рис. 1.4. Схема токового зеркала
Рис. 1.5 Пример источника тока, в состав которого входит токовое зеркало
Токовые зеркала широко используются при проектировании интегральных микросхем, работающих в широком диапазоне питающих напряжений. Они входят в состав базовых СФ - блоков, таких как источники тока, компараторы, операционные усилители. Токовые зеркала на транзисторах имеют такое широко применение в аналоговых интегральных схемах благодаря своей простоте (требуются всего два согласованных транзистора) и эффективности.
Аналоговые ключи это устройства коммутации переменного сигнала, которые нашли широкое применение в большинстве аналоговых и цифровых областей (Рис. 1.6).
Рис. 1.6. Простейшие аналоговые ключи: а) на n-МОП транзисторе; б) на p-МОП транзисторе, в) комплементарные
Идеальный аналоговый ключ ведет себя как совершенный механический выключатель: во включенном состоянии пропускает сигнал к нагрузке без ослаблений или нелинейных искажений, в выключенном - ведет себя как разомкнутая цепь.
Аналоговые электронные ключи предназначены для передачи аналогового сигнала с минимальными искажениями. Искажения, вносимые ключом при использовании нагрузочной емкости хранения (например, в УВХ), определяются главным образом инжекцией заряда в момент выключения.
Инжекция носителей заряда - увеличение концентрации носителей заряда в полупроводнике (диэлектрике) в результате переноса носителей током из областей с повышенной концентрацией под действием внешнего электрического поля. Инжекция носителей заряда приводит к нарушению термодинамического равновесия электронной системы в полупроводнике. При этом в образце появляется пространственный заряд, препятствующий дальнейшему поступлению носителей из обогащённого слоя.
|
|
|
Существенно уменьшить инжекцию заряда позволяет использование в аналоговых ключах дополнительных элементов (транзисторов) (Рис. 1.7).
Рис. 1.7 Аналоговые ключи с дополнительными элементами для компенсации инжекции заряда: а) на n-МОП транзисторах; б) на p-МОП транзисторах; в) комплементарные; г) комплементарный симметричный
Аналоговые ключи имеют широкое применение в аналоговых блоках. Управляемые напряжением они образуют блоки, существенно - важные для построения ОУ, такие как интеграторы, схемы выборки-хранения, пиковые детекторы и другие. Одним из эффективных применений ключей на полевых транзисторах является использование их в мультиплексорах - схемах, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала.
Согласованные конденсаторные матрицы нашли широкое применение в аналоговой схемотехнике. Они используются в АЦП, ЦАП, в различного рода фильтрах и других схемах, где необходимо согласование конденсаторов, в схемах на переключаемых конденсаторах. Согласование этих элементов необходимо для достижения желаемых характеристик схем. На рис. 1.8. приведен пример использования таких матриц в схеме дифференциатора. Отношение конденсаторов С1 к С2 может быть разным, но при этом они должны быть согласованы по всем правилам, для правильной работы устройства.
Рис. 1.8. Схема дифференциатора
Таким образом, можно сделать вывод, что рассмотренные аналоговые ячейки входят в состав многих базовых СФ - блоков, таких как источники тока, компараторы, операционные усилители, фильтры и другие не менее важные устройства. От их правильной работы и обеспечения необходимых параметров зависит работоспособность построенных на их основе аналоговых блоков, а значит и всей схемы в целом. Поэтому так важно уделять токовым зеркалам, дифференциальным парам, аналоговым ключам и согласованным матрицам конденсаторов большое внимание при проектировании.
|
|
|
