1

Cap. 1. Blocuri functionale din structurile electro nice de prelucrare a semnalelor si a datelor

Simboluri grafice folosite pentru reprezentarea tranzistoarelor din schemele microstructurilor

Tranzistoare bipolare:

a. TB standard (PNP şi NPN) b. TB superbeta (βN = × 1.000) c. TB multicolector

Tranzistoare MOS (canal N):

a. MOSFET canal indus N (4 terminale; B se conectează la cel mai scăzut potenţial din circuit)

b. MOSFET canal indus N (3 terminale ; B conectată la S) c. MOSFET canal iniţial N (B conectată la S) d. MOSFET canal indus N (reprezentare simplificată în structurile CI numerice)

Tranzistoare MOS (canal P):

a. MOSFET canal indus P (4 terminale; B se conectează la cel mai ridicat potenţial din circuit)

b. MOSFET canal indus P (3 terminale ; B conectată la S) c. MOSFET canal iniţial P (B conectată la S) d. MOSFET canal indus P (reprezentare simplificată în structurile CI numerice)

2

Clasificarea tehnologiilor CI din siliciu

1. Bipolară:

- componente izolate prin joncţiuni PN

- componente izolate prin dielectric

2. MOS:

2.1. CMOS:

- grile din Al

- grile din Si (policristalin sau amorf)

2.2. PMOS (grile din Al)

2.3. NMOS:

- grile din Al

- grile din Si (policristalin sau amorf)

3. Bipolară-MOS (BiFET, BiMOS, BiCMOS).

Tehnologia Frecvenţa semnalelor

BiCMOS 1 Hz ÷ 100 MHz

MOS (CI numerice) 1 Hz ÷ ×100 MHz

Bipolară (CI numerice) 1 kHz ÷ ×100 MHz

MOS (CI analogice) 1 Hz ÷ ×10 MHz

Bipolară (CI analogice) 1 kHz ÷ 100 MHz

GaAs 1 MHz ÷ ×10 GHz

3

1.1. Referinte de curent si de tensiune TB. Conexiune tip dioda Polarizare directa

Semnal mare RAN: iE = IES exp(uBE/UT) uBE = UT ln(iE/IES) Semnal mic (frecvente joase)

u = ube = uce Ro = u/i = rbe // (1/gm)//rce ≅ 1/gm = UT/IE

4

Polarizare inversa

Semnal mare: Uz = (5…7) V Semnal mic: rz

MOSFET. Conexiune tip dioda

Semnal mare Regim activ (RA): MOSFET cu G ≡ D → RA: uDS = uGS

uDS ≥ uGS - UP uDG > - UP, cu UP > 0 pt. NMOS si UP < 0 pt. PMOS.

i = iD = (β/2)(uGS-UP)2(1+λuDS) ≅ (β/2)(uGS-UP)2

cu β = µCox(W/L) =K’(W/L),

5

sau u=uDS=uGS=UP+(2iD/β)1/2. Semnal mic

gm ≅ 10 gmb ≅ 100 gd Cu uBS = 0 sau uBS ≠ 0, Ro = u/i =1/(gm + gmb + gd) ≅ 1/gm Divizoare de tensiune cu rezistoare active Obtinerea unei tensiuni uO din VSS si VDD

uGS1 = uDS1, uGS2 = uDS2, iD1 = iD2 ⇒ uDS1= (β2/β1)

1/2 (uSD2-UP2)+UP1 uDS1+uSD2 = VDD+VSS

Exemplu : VDD = - VSS = 5 V. M1: β1=4 µA/V2, UP1= -UP2= 0,5 V, (W/L)1 = 1/4,25, K’1= 17 µA/V2 M2: β2=11,1 µA/V2, (W/L)2 = 1,34, K’2= 8 µA/V 2 ID1 = ID2 = 50 µA. UO = 1,75 V.

6

1 TB c.c. U = UBE ≅ 0,6 V c.a. u/i = 1/gm

Definitie. Un circuit referinta de tensiune sau de curent este o sursa independenta de tensiune sau de curent cu un inalt grad de precizie si stabilitate. Principalele cerinte: 1) Tensiunea/curentul de iesire ar trebui sa fie independenta de tensiunea de alimentare. 2) Tensiunea/curentul de iesire ar trebui sa fie independenta de sarcina conectata la iesire. 3) Tensiunea/curentul de iesire ar trebui sa fie independenta de temperatura. 4) Tensiunea/curentul de iesire ar trebui sa fie independenta de variatiile din procesul de fabricatie.

Caracteristica unei referinte ideale de tensiune/curent

Fig. Ref-1

7

Sensibilitate Def. Sensibilitatea este o masura a dependentei Uref sau Iref de un parametru sau de o variabila x care influenteaza Uref sau Iref.

∂∂

=∂

∂

=x

U

U

x

x

x

U

U

S ref

ref

ref

ref

Ux

ref

cu x = tensiune de alimentare (VCC , VEE sau VDD, VSS), temperatura, curentul prin sarcina etc.

∂=∂

x

xS

U

UrefU

xref

ref

Exemplu: daca 1=refUxS , o modificare cu 10% a parametrului x va produce o modificare a

Uref cu 10%. Ideal, S → 0.

∂∂

=∂

∂

=CC

ref

ref

CC

CC

CC

ref

ref

UV V

U

U

V

V

V

U

U

S ref

CC

Coeficient relativ de temperatura

minmax

minrefmaxref

refR TT

UU

UTCTC

−−

== 1

U.M. %/oC sau ppm/oC. Ideal, TC → 0. A. Referinte de curent (cu o iesire sau mai multe iesiri) - oglinzi de curent (TB, CMOS) - surse Wilson - surse cascoda - surse standard de curent - alte topologii

8

A1. Oglinda de curent O sursa de curent = amplificator de curent

Oglinzile de curent sunt caracterizate de: - liniaritatea amplificarii - uImin - uOmin - RI - RO

Ideal: iO = AI iI, RI = 0, RO = ∞. Caracteristicile unui amplificator ideal de curent: de intrare, de transfer si de iesire

9

Oglinda cu TB

IniOi = , AI = n, n ∈ (0,01 – 100)

II = Iref, n = 1, in sursele de curent constant (amplificatoare de curent continuu) RI = 1/gm1 RO = rce2. n =1 pentru T1 ≡ T2 (AE1=AE2, IS1= IS2) Daca AE1≠AE2, ( )TU/BEUexpSICI 11 =

( )TU/BEUexpSICI 22 =

nA

A

I

I

I

I

E

E

S

S

C

C ===1

2

1

2

1

2 .

uImin=uBEmin; uOmin = uCE(s.i.)=uBE. Oglinda cu NMOS

iD1=(β1/2)(uGS-UP1)

2 iD2=(β2/2)(uGS-UP2)

2 Daca β1=β2 si UP1=UP2 ⇒ iO/iI = iD2/iD1= 1 Daca β1≠β2 si UP1=UP2 ⇒ iO/iI = iD2/iD1= β2/β1= n. RI = 1/gm1 RO = rd2 uImin = uGSmin > UP; uOmin = uDS1min ≥ uGS-UP

10

A2. Surse Wilson TB

MOS

11

A3. Surse cascoda

A4. Surse de curent cu iesiri multiple

B. Referinţe de tensiune Criterii de alegere a referintelor de tensiune pentru sisteme analogice performante Toleranta mica imbunatateste acuratetea si reduce costurile sistemului (%). Deriva termica afecteaza acuratetea (ppm/°C). Domeniul tensiunii de alimentare. Sensibilitatea in raport cu sarcina sau impedanta de iesire (µV/mA sau ppm/mA). Sensibilitatea in raport cu tensiunea de alimentare (µV/V sau ppm/V). Stabilitatea pe termen lung (ppm/°C/1000 h), histerezisul mic asigura repetabilitatea.

Zgomotul limiteaza rezolutia sistemului (nV/ Hz ). Sarcinile dinamice pot produce erori. Puterea consumata este critica pentru sistemele alimentate de la baterii. Capsule de mici dimensiuni cresc densitatea circuitului.

12

Tipuri de referinte de tensiune Dupa modul de conectare in sistem: - referinte cu 3 terminale (serie) - referinte cu 2 terminale (paralel/dioda).

Referinte cu 3 terminale: - tensiune pozitiva de iesire - tensiuni de iesire cu valori standard, preajustate, si un curent de iesire relativ mare - curent consumat in gol: mic si stabil. Referinte cu 2 terminale: - tensiuni de iesire cu ambele polaritati, cu valori nestandard - curent consumat in gol - mare - curent de iesire - mic - puterea consumata – mare, la tensiuni de alimentare cu domeniu mare

Exemple de referinte simple de tensiune - inversare simpla a polaritatii tensiunii de iesire - curent mic de iesire

(a) (b) (a) Uref = UBE → Uref ≅ 0,6 V (b) Uref = UZ → Uref ≅ (5 -7) V Coeficient de temperatura:

(a) ≅∂

∂=∂

∂T

U

T

UBEref - 2,5 mV/oC (b) ≅

∂∂=

∂∂

T

U

T

UZref + 3 mV/oC

Combinarea celor doua componente (dioda Zener termocompensata) → reducerea TCR.

13

- acuratete initiala limitata - VCC > Uref - zgomot mare - TCR de 100 ppm/°C sau mai mic

Tensiuni mai mari la iesire → Multiplicatoare de UBE sau de (UBE+UZ)

Uref = (1+R1/R2)UBE = mUBE

14

Uref = (1+R1/R2)(UBE+UZ) = m(UBE+UZ)

Tensiuni standard folosite in referintele de tensiune: UBE sau UEB (polarizare directa a jBE): UBE ≅ 0,6 V; TC ≅ -2,5 mV/oC UZ (jBE polarizata invers): UZ =(5 - 7) V; TC ≅ + 3 mV/oC UT (tensiunea termica): UT ≅ 26 mV (la T = 300K); TC ≅ + 0,085 mV/oC. Pentru TCR ≅ 0, tensiunea de referinta se obtine ca o combinatie liniara de

tensiuni standard cu TCR opuse ca semn: Uref =aUBE+bUZ

Uref =cUBE+dUT

Tehnologii folosite la realizarea referintelor de tensiune performante (interne / externe):

- tip banda interzisa, BI (cu TB) - XFET (cu JFET) - cu dioda Zener, DZ (Buried Zener)

15

B1. Referinte tip banda interzisa, BI (bandgap reference)

Fig. Ref-2

Uref = cUBE+dUT = 1,205 V Ipoteze: T1≡T2 (IS1 ≅ IS2) si 31 BEUBEU ≅

(1) 3211 BEOBEref URIURI +≅+

(2) 12 R/RI/I Oref ≅

(3) 321 RIUU OBEBE +≅ si O

refT

C

CTBEBE I

IlnU

I

IlnUUU ≅=−

2

121

(4)1

2

33 R

Rln

R

U

I

Iln

R

UI T

O

refTO ≅=

(5)

+=+=

1

2

3

2323 R

Rln

R

RUURIUU TBEOBEref

c=1, d = (R2 /R3 )ln (R2 /R1 ); R1 = 600 Ω, R2 = 6 kΩ si R3 = 600 Ω, se obţine Uref = 1,205 V si TCR < 10 ppm/oC). UG0 = WG0/q = 1,205 V este tensiunea corespunzatoare largimii benzii interzise a siliciului la T=0K . Caracteristici:

- tehnica relativ simpla - structura sensibila la curentul de iesire si la cel de alimentare

16

- Uref mica; pentru niveluri utile de 2,5 V, 5 V, 10 V etc., necesita multiplicare cu precizie.

Reducerea sensibilitatii la curentul de iesire → folosirea unui buffer.

Exemplu

17

Uref : 2,5 V; 3 V; 4,096 V; 5 V tensiuni de alimentare: 2,7 V - 12V curent de alimentare (maxim): 65 µA acuratete initiala (maxima): ± 0,1% coeficient de temperatura (maxim): 50 ppm/°C zgomot: 70 µVp-p (0,1Hz - 10Hz) deriva pe termen lung: 100 ppm/1000 h curent de iesire (minim): ± 5mA domeniul temperaturii de functionare: – 40°C ÷÷÷÷ +85°C

B2. Referinte tip XFET

Structura similara referintei tip BI cu TB. XFET foloseste o pereche de JFET-uri cu tensiuni de prag diferite, ∆UP = 500 mV. I1=I2

∆UP = UP1 - UP2 = 500 mV.

Fig. Ref-3

Uref = ∆UP (1+(R2+R3)/R1) + IR3 ∆UP: TC < 0; I: TC > 0; Uref: TC = (3 – 8) ppm/°C.

Uref: 2,048 V; 2,5 V; 4,096 V; 5 V tensiuni de alimentare: 2,7 V - 15V curent de alimentare (maxim): 12 µA acuratete initiala (maxima): ± 0,1% coeficient de temperatura (maxim): 8 ppm/°C zgomot la frecvente joase: 6 µVp-p (0,1 - 10Hz)

18

zgomot de banda larga: 420nV/ Hz la 1 kHz deriva pe termen lung: 50 ppm/1000 h current de iesire (minim): 5mA domeniul temperaturii de functionare: –40°C ÷÷÷÷ +125°C

B3. Referinte tip dioda Zener (Buried Zener) Diodele Zener ingropate (realizate in volumul substratului de siliciu): nivel de zgomot mai mic si sunt mai stabile, in comparatie cu diodele de suprafata.

- deriva termica foarte mica (1-2 ppm/°C) - zgomot mic (100 nV/√Hz sau mai mic) - curentul de functionare este relativ mare (x mA).

Principiul de realizare al unei referinte de tensiune cu DZ ingropata este ilustrat in fig. Schemele electronice sunt mult mai complicate (vezi AD588).

Fig. Ref-4

BI XFET Dioda Zener Uref < 5 V Uref < 5 V Uref > 5 V Zgomot mare la putere mare

Zgomot mic la putere mica

Zgomot mic la putere mare

Deriva si stabilitate pe termen lung - moderate

Deriva si stabilitate pe termen lung - foarte bune

Deriva si stabilitate pe termen lung –bune

19

Exemplu. Schema interna a referintei AD588

deriva termica: 1,5 ppm/°C eroare initiala: 1 mV iesiri programabile: +10 V, +5 V, ±5 V (cu urmarire), −5 V, −10 V

20

Iesiri: ± 5V (alimentare ± 15 V).

Iesiri: +5 V si +10 V (alimentare ± 15 V).

21

Iesiri: -5 V si -10 V (alimentare ± 15 V).

22