Státnice z elektroniky

<< předchozí     následující >>

Kapitola 8
Analogové integrované obvody

Analogové obvody jsou určeny pro práci se signálem, jehož hodnota se v rozmezí jmenovitého rozsahu může měnit spojitě (existuje tedy nekonečně mnoho dovolených hodnot [úrovní] signálu na vstupu i výstupu).

8.1  Klasifikace integrovaných obvodů

Podle technologie výroby rozlišujeme monolitické IO , ve kterých jsou jednotlivé prvky vyrobeny a propojeny na jedné základní destičce polovodičového materiálu čipu (všechny prvky jsou uvnitř jednoho monokrystalu, oddělené pouze jemnými podrobnostmi fyzikální a chemické struktury) a hybridní IO , které jsou vytvořeny kombinací diskrétních prvků a IO vyrobených různými technologiemi.

Nejběžnějším materiálem pro monolitické IO je křemík. Postupně se začínají uplatňovat i polovodiče sloučeninové, především arsenit galitý (AsGa), ale pouze pro IO se speciálním určením. Pro hybridní IO je charakteristické řešení užití podložky z jakostní speciální keramiky (často na bázi oxidu hlinitého), na které jsou vrstvovou technikou vytvořeny spojové dráhy a rezistory. Do této sítě se tmelením, pájením a termokompresním svařováním připojují další součástky. Technologie tenkých vrstev spočívá v tom, že se v určitém pořadí nanáší soustava různých vrstev na izolační podložku. Vrstvy jsou vodivé, izolační, odporové a dielektrické pro kondenzátory. Poté se v jednotlivých vrstvách tvoří vodiče, odpory a kondenzátory. Odlišujeme technologii tenkovrstvou (napařování, tloušťka desetiny μm) a tlustovrstvou (nanášejí se, tloušťka desítky μm).

Podle hustoty integrace (týká se pouze monolitických obvodů) rozlišujeme obvody SSI (standard scale integration) – do sta prvků na čipu, MSI (medium scale integration) – do 1000, LSI (large ...) – do 104, VLSI (very large ...) – do 105, ELSI (extremely large ...) s počtem součástek > 105. Toto třídění se přestává, vzhledem ke stálému zvyšování počtu součástek na čipu, užívat. Dnes se užívá častěji klasifikace podle lineárního rozměru nejmenšího technologicky reprodukovatelného detailu ve vytvářené struktuře. Tak se mluví např. o 2 μm technologii, o technologii 1,2 μm, 0,6 μm, 0,3 μm…

8.2  Operační zesilovače

Potlačení součtového zesílení (CMR – common mode rejection) udává vliv napětí vůči zemi na vstupu na výstup. Má být co největší, protože OZ je diferenční zesilovač. Nesymetrie vstupů se zjišťuje tak, že se vstupy zkratují a na výstupu se objeví nějaké chybové napětí (OZ je diferenční zesilovač, proto by mělo být nulové) => kompenzace. OZ je stejnosměrný zesilovač. Střídají se v něm zesilovací stupně PNP a NPN (jinak by se muselo zvětšovat napájecí napětí dalších stupňů).

Blokově znázorněný OZ se skládá ze tří částí. První je vstupní diferenční zesilovač, který pracuje v můstkovém zapojení. Následuje druhá střední část, která má zajistit co největší zesílení. Třetí výstupní část, kde se využívá komplementární nebo kvazikomplementární zapojení koncového zesilovače.

8.2.1  Ideální a reálný OZ

ideální OZ reálný OZ
napěťové zesílení A0 103÷107
napájecí napětí ±Ucc ±2 V÷ ±200 V
klidový vstupní proud 0 10−15÷ 10−7 A
mezní kmitočet 103, 106, 108 Hz
rychlost přeběhu 10−4 V s−1
potlačení součtového signálu −∞ 120 dB
proudová nesouměrnost vstupů 0 10−8÷10−15 A
napěťová nesymetrie 0 10−6÷10−2
diferenciální výstupní odpor 0 1÷1000 Ω
diferenciální vstupní odpor 105÷1015 Ω
nejmenší zatěžovací odpor 1÷105 Ω
délka náběžné hrany 0 10−9÷10−4 s
citlivost na napájecí napětí 10−5 V V−1
vstupní šumové napětí 10−7 V

8.2.2  Použití OZ

Komparátor, komparátor s hysterézí

Rozdílový nebo součtový zesilovač

Derivátor, integrátor

Invertující a neinvertující zesilovač

Klopné obvody

8.3  Stabilizátory napětí

8.4  Výkonové zesilovače

8.4.1  Koncové komplementární zesilovače

Nejsou potřeba koncové výkonové zesilovače, stačí nízkovýkonové komplementární tranzistory.

8.4.2  Kvazikomplementární zesilovače