Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 82

В упрощенном виде они проиллюстрированы на рис. 10.25. 1 Л 3 е) е) Рис. 10.25. Ограничения на минимальные раамеры влементов ИС: а— флюктуапия распределения примеси;  — технологические допуски; е— рост напряженности поля Во-первых, с уменьшением площади начинает сказываться неравномерное (статистическое) распределение примеси в полупроводнике. Пусть квадраты на рис. 10.25, а иллюстрируют конфигурацию эмиттерного слоя.

При большой площади (квадрат 1) количество атомов примеси в двух одинаковых квадратах 10.9, Большие и сверхбольшие иитегрлльиые схемы 499 будет практически одинаковым. При малой площади (квадраты 2 и 3) количество атомов может заметно различаться (три и четыре атома на рис. 10.25, а). Соответственно будут различаться концентрации примеси в эмиттерах, а значит, и коэффициент инжекции (см. (5.24)). Анализ показывает, что этот фактор становится существенным при стороне квадрата менее 1 мкм. Во-вторых, с уменьшением линейных размеров возрастает роль технологических допусков (рис.

10.25, б). Так, если погрешность фотолитографии составляет ь0,2 мкм, то при линейных размерах 5 мкм (большой квадрат) площади элементов будут различаться незначительно (на 20'/о), а при размерах 1 мкм (малый квадрат) — в 2,3 раза. В-третьих, с уменьшением линейных размеров возрастают напряженности электрических полей в полупроводниковых слоях (рис. 10,25, в). При одном и том же напряжении (/ = 0,2 В напряженность поля в слое толщиной 5 мкм сравнительно невелика (400 В/см), а в слое толщиной 0,2 мкм она составляет 104 В/см, т.

е. превышает критическую напряженность. Соответственно полупроводниковый слой приобретает нелинейные свойства. Можно также показать, что при линейных размерах менее 1 — 2 мкм определенную роль начинают играть шумовые флюктуации, влияние космического излучения и естественный радиационный фон Земли.

Учитывая, что возможности обычной фотолитографии тоже лежат в пределах 0,7-1 мкм, можно сказать, что и физические и технологические аспекты делают область размеров менее 1 мкм особой областью и позволяют говорить о «субмикронной микроэлектроникеь как о самостоятельном научно-техническом и технологическом направлении. Большие гибридные интегральные схемы (БГИС). Этот тип БИС не является альтернативой полупроводниковым БИС. Скорее его можно считать адекватным конструктивным решением при разработке современной микроэлектронной аппаратуры.

Основное различие между простой ГИС и БГИС состоит в том, что у первых типичными навесными компонентами являются бескорпусные транзисторы и диоды, тогда как у вторых — бескорпусные ИС и БИС. Кроме того, БГИС имеют более сложную структуру, чем ГИС. В частности, им часто свойственна многоуровневая металлизация, как и полупроводниковым БИС. Глава 10. Иатегральиые схемы Чаще всего БГИС содержит только металлическую разводку и навесные бескорпусные ИС и БИС.

Поэтому понятие ГИС (подразумевающее наличие пленочных пассивных элементов) часто сводится к понятию тонко- или толстопленочной коммутационной платы, главная задача которой — объединить множество ИС и БИС в единый функциональный комплекс. Такой комплекс называют микросборкой. Коммутационная плата является микроэлектронным аналогом печатной платы, которая до последнего времени была основной конструктивной единицей радиоэлектронной аппаратуры. Что касается микросборки, то ее качественная особенность по сравнению с узлами, выполненными на печатных платах, состоит в том, что она представляет собой законченный прибор (суперкомпонент электронных схем), снабженный отдельным корпусом и характеризуемый единой технической документацией.

Функциональная сложность такого электронного прибора намного выше, чем БИС и даже СБИС. Из микросборок, как «суперкомпонентов«, можно на печатной плате монтировать сверхсложные узлы аппаратуры, а часто и все устройство в целом. 10.10. Операционные усилители Аналоговые устройства по сравнению с цифровыми характерны гораздо большим разнообразием по виду сигналов, по выполняемым функциям, а также по назначению и внутренней структуре. Поэтому унификация элементной базы в области аналоговых устройств возможна только на основе многофункциональных узлов.

В настоящее время основными аналоговыми функциями принято считать: усиление, сравнение, ограничение, перемножение и частотную фильтрацию сигналов. Каждая из этих функций, вообще говоря, выполняется особым классом аналоговых ИС. Однако все эти специализированные ИС„как правило, происходят от основного, наиболее универсального и многофункционального узла — операционного усилителя (ОУ), которому и посвящен данный раздел. Общая характеристика. Операционным усилителем (ОУ) принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, характерный высоким коэффициентом усиления, а также большим входным и малым вы- 10.10.

Операциоииые усилители 461 Рис. 10.27. Типичная схема включения ОУ (Ег сгвх)!В1 =(( вх (1»ых)!Я2. 1 Понятия «высокий«, «болыпое«и «малое» примепительио к параметрам ОУ будут уточнены повдиее. ходным сопротивлениями1. Е'„ Условное обозначение ОУ показано на рис. 10.2б. ~в« Сигнал не обязательно дол- Вход жен быть дифференциальным, + Выход его можно подавать на один из Г входов ОУ, заземляя второй. В зависимости от полярности сиг- Е„ налов на выходе и входе один из Рис. 10.26. Условное обозначение входов называют инвертпрую- операционного усилителя щим (обозначается «-»), а другой неинзсртирующим (обозначается «+»).

Иногда инвертирующий вход обозначается кружком, как и в логических вентилях (рис. 10.26). Выходное напряжение операционного усилителя 11м определяется разностью напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах, умноженной на положительный коэффициент усиления Ко. На практике ОУ чаще всего бывает охвачен цепью глубокой обратной связи. Именно в совокупности с цепями обратной связи ОУ выполняет те разнообразные операции, откуда и происходит его название. — ' б',„ Типичная схема ОУ с активной Е„Е отрицательной обратной свя- — «и вьм зью показана на рис.

10.27, где сопротивление В1 включает в Х себя сопротивление источника питания В„. В таком варианте ОУ выполняет функцию стабильного усиления. Если входное сопротивление ОУ существенно превышает значение сопротивлений В1 и Вз, то входным током операционного усилителя 1, можно пренебречь и считать 1, = 11. Последнее равенство мож- но записать в виде 462 Глава 10. Ивтеервльиме схемы Подставляя У,„„= -КоУ,, и проводя простые преобразования, получаем коэффициент усиления схемы: ('вых г 2Ф1 Кг 1+(1ч )12Ж),гКо (10. 24) Если коэффициент усиления ОУ достаточно велик, то вторым слагаемым в знаменателе (10.24) можно пренебречь, тогда (10.26) Ег!Ег.

Выражение (10.25) является фундаментальным для ОУ. Оно показывает, что при определенных условиях коэффициент усиления схемы зависит только от параметров цепи обратной связи и не зависит от параметров самого ОУ. В частности, коэффициент усиления схемы не зависит от температуры, от напряжений питания и от изменений коэффициентов (), какими бы причинами эти изменения ни вызывались. Заменяя активные сопротивления 212 и Я1 комплексными, можно получить желательные переходные и частотные характеристики, по-прежнему не зависящие от параметров ОУ. Уточним условия, при которых действительно выражение (10.26).

Прежде всего оно базируется на высоких значениях коэффициента усиления Кэ. А именно, согласно (10.24) должно выполняться неравенство (10. 26) Кэ ( '2~М1) Следовательно, коэффициент усиления ОУ должен намного пресы. шать желательный коэффициент усиления схемы.

Например, если желательно иметь К = 100, то коэффициент Кэ должен быть больше 10 -10~. С ростом частоты величина Ке неизбежно уменьшается, что приводит к нарушению неравенства (10.26). Поэтому чем выше граничная частота коэффициента Кэ„тем е более широком диапазоне частот действительно выражение (10.26) со всеми его преимушествами. Из рис. 10.26 видно, что интегральный ОУ, помимо входных и выходных зажимов имеет выводы для подачи двухполярного напряжения питания. Иногда ОУ также имеет дополнительные выводы для коррекции характеристик.

Основные параметры ОУ. Для того чтобы ОУ имел дифференциальный вход, его первый каскад должен быть дифференциальным усилителем (см. раздел 9.6). В зависимости от коэффициента усиления первого дифференциального каскада (ДК) 10.10. Оиераииеииые усилители 466 за ним следует либо второй ДК, либо сразу схемы сдвига уровня и другие промежуточные каскады, которые в конечном счете призваны связать ДК с мощным выходным каскадом. Последний практически всегда строится по двухтактной схеме класса В (см.