Содержание

Предисловие 3

1. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ТОПОЛОГИИ
И КОРПУСИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ 5
1.1. Согласование интегральных элементов 5
Выражения для расчета показателей рассогласования
элементов 5
Основные правила построения согласованных элементов 9
Размещение согласованных элементов в массив
с общим центром 9
Уменьшение влияния механического напряжения
и его градиента 11
Уменьшение влияния температурного градиента 13
Уменьшение электростатического взаимодействия 15
Особенности пересечения металлом согласованных
резисторов 16
Уменьшение влияния соседних структур на согласование
элементов 17
Согласование МОП-транзисторов 19
Согласование резисторов 21
Согласование конденсаторов 22
1.2. Методы экранирования схем от шумов по подложке 23
Экранирование схем от шумов по подложке
в стандартной КМОП-технологии 23
Экранирование схем от шумов по подложке
в технологии КНИ 25
Сравнительные данные по степени подавления шумов
по подложке 27
Влияние размеров и расположения охранных колец
на степень экранирования шумов в стандартной
КМОП-технологии 29
Влияние концентрации примеси в подложке на степень
экранирования шумов 31
1.3. Проектирование шин и размещение блоков
в цифроаналоговых схемах 32
Проектирование шин 32
Размещение блоков 34
1.4. Принципы масштабирования КМОП-микросхем 36
Общие сведения 36
Основные факторы, учитываемые при проектировании
масштабируемых аналоговых блоков 37
λ-проектирование топологии микросхем 38
1.5. Нормы проектирования топологии 39
1.6. Методы защиты от включения паразитного
тиристора (защелкивания) в КМОП-технологии 42
Общие сведения 42
Критерий возможности проявления тиристорного эффекта 43
Механизмы возникновения эффекта защелки 44
Способы защиты от включения паразитного тиристора 44
Защита узлов входа/выхода 45
Защита внутренних блоков 46
Разделение узлов входа/выхода и внутренних блоков 48
Испытания КМОП-микросхем на устойчивость
к тиристорному эффекту 48
1.7. Защита выводов микросхем от статического
электричества 52
Общие сведения 52
Модели воздействия статического электричества 53
Цепи защиты выводов микросхемы от воздействия
электростатического разряда 56
Диодно-резистивные элементы защиты 59
Элементы защиты на МОП-транзисторе с заземленным
затвором (MGG) 60
Элементы защиты на МОП-транзисторе с полевым окислом
в качестве подзатворного диэлектрика (TFO) 61
Элемент защиты на основе цепи диодов 61
Динамический элемент защиты входов/выходов микросхем 62
Динамический элемент защиты шин земли и питания 62
Особенности конструкции и топологии элементов защиты 63
1.8. Размещение кристаллов на пластине 64
1.9. Сведения по корпусам и тепловому расчету микросхем 65
Пластмассовые корпуса 65
Керамические корпуса 68
Максимальный ток вывода 71
Модель вывода корпуса 72
Тепловые характеристики микросхемы 73
Тепловой расчет микросхемы 78

2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 81
2.1. Электрофизические свойства интегральных структур 81
2.2. МОП-транзисторы 85
Общие сведения 85
Выражения для оценочных расчетов по постоянному току 88
Эффект насыщения скорости дрейфа носителей 89
Малосигнальные эквивалентные схемы МОП-транзисторов
в пологой области ВАХ 90
Малосигнальная эквивалентная схема МОП-транзистора
в крутой области ВАХ 92
Малосигнальные эквивалентные схемы МОП-транзисторов
в режиме отсечки 93
Шумовые свойства МОП-транзисторов 94
Spice – модели МОП-транзисторов 95
Параметры моделей МОП-транзисторов 96
2.3. Особенности построения интегральных резисторов 115
Расчет номиналов интегральных резисторов 115
Расчет сопротивлений интегральных резисторов 115
Правила проектирования топологии резисторов 117
Температурные вариации сопротивления резисторов 117
Факторы, влияющие на линейность резисторов 117
Саморазогрев 118
Насыщение скорости носителей 118
Влияние конечных размеров зерен 118
Модуляция обедненной области 119
Модуляция проводимости проходящими шинами 119
Сопротивление контактов 119
Металлические резисторы 119
Диффузионные резисторы 120
Резисторы, выполненные слоем кармана 120
Поликремневые резисторы 120
Прецизионная коррекция номинала резисторов 121
Импульсные свойства резисторов 123
2.4. Интегральные конденсаторы и емкость
межсоединений 125
Общие сведения 125
Эквивалентная схема интегрального конденсатора 128
Емкость межсоединений 129
2.5. Интегральная индуктивность 131

3.БАЗОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ 135
3.1. Токовые зеркала 135
Общие сведения 135
Примеры построения токовых зеркал 136
3.2. Дифференциальные пары 141
Общие сведения 141
Примеры построения дифференциальных пар 143
3.3. Источники тока 144
Общие сведения 144
Примеры построения источников тока 147
Примеры построения блоков автозапуска 148
3.4. Аналоговые ключи 149
Общие сведения 149
Примеры построения аналоговых ключей 154
3.5. Компараторы 155
Общие сведения 155
Блоки компараторов 159
Примеры построения предусилителя 160
Примеры построения блоков принятия решения 161
Примеры построения выходного буфера 164
Примеры электрических схем компараторов 165
3.6. Операционные усилители 169
Основные термины, понятия и характеристики 169
Классификация ОУ 177
Элементы схемотехнического построения КМОП ОУ 180
Входной дифференциальный каскад 180
Выходной каскад 183
Промежуточные каскады 184
Элементы сопряжения промежуточных и выходных каскадов ОУ 186
Элементы для построения ОУ с повышенной скоростью
нарастания выходного напряжения 187
Элементы для построения полностью
дифференциальных ОУ 188
Частотная коррекция операционных усилителей 190
Частотная коррекция двухкаскадных ОУ 191
Коррекция Миллера 192
Соотношения, используемые при расчете ОУ
с коррекцией Миллера 193
Каскодная коррекция Миллера 194
Соотношения, используемые при расчете двухкаскадного ОУ
с каскодной коррекцией Миллера 195
Вложенная каскодная коррекция Миллера 196
Соотношения, используемые при расчете двухкаскадного ОУ
с вложенной каскодной коррекцией Миллера 197
Частотная коррекция трехкаскадных ОУ 198
Вложенная коррекция Миллера 198
Соотношения, используемые при расчете трехкаскадного ОУ
с вложенной коррекцией Миллера 200
Разветвленная вложенная коррекция Миллера 201
Соотношения, используемые при расчете трехкаскадного ОУ
с разветвленной вложенной коррекцией Миллера 202
Частотная коррекция четырехкаскадных ОУ 203
Примеры построения КМОП ОУ 203
3.7. Источники опорного напряжения 209
Общие сведения 209
Простейшие источники опорного напряжения 211
Источники опорного напряжения равные ширине
запрещенной зоны 213
Построение PTAT генераторов 216
Примеры простейших электрических схем ИОН с выходным
напряжением равным ширине запрещенной зоны 217
3.8. Схемы выборки–хранения 218
Общие сведения 218
Основные причины неидеальности УВХ 221
Примеры схемотехнических решений УВХ 223
Тестирование УВХ 225
3.9. Цифровые элементы 226
Комбинационные логические элементы 226
Некоторые параметры логических элементов схем
для различных технологий 229
Классификация триггеров 231
Триггеры R–S-типа 232
Триггеры D-типа 234
Триггеры D–V-типа 236
Триггеры S-типа 236
Триггеры R-типа 237
Триггеры Е-типа 237
Триггеры Т-типа 238
Триггеры T–V-типа 238
Триггеры R–S–T-типа 239
Триггеры J–K-типа 239
Триггеры, построенные по схеме «M–S» (ведущий–ведомый) 240
Триггеры R–St -типа с инвертором 240
Триггеры R–St -типа с запрещающими связями 240
Триггеры R–St -типа с разнополярным управлением 241
Триггеры Dt-типа, построенные по схеме «M–S» 241
Триггеры D-типа, построенные по схеме «M–S» 242
Триггеры J–Kt-типа, построенные по схеме «M–S»
с запрещающими связями 243
Параллельные регистры 243
Последовательные (сдвигающие) регистры 244
Счетчики 244
3.10. Упрощенный малосигнальный анализ элементарных
узлов 246

4. СЛОЖНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ 249
4.1. АЦП 249
Основные параметры АЦП 249
Основные типы АЦП 257
АЦП с временным перемежением 260
Параллельный АЦП 260
1,5-шаговый параллельный АЦП 262
Интерполирующий АЦП 263
2-шаговый параллельный АЦП 264
АЦП сложенного сигнала 265
АЦП с увеличенным разрешением 267
Конвейерный АЦП 267
АЦП последовательного приближения 268
АЦП последовательного приближения с перераспределением
заряда 269
Алгоритмический АЦП 269
Интегрирующий АЦП (однотактный) 270
АЦП двойного интегрирования 270
4.2. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 272
Общие сведения 272
ЦАП на основе цепи резисторов 277
Двухкаскадный ЦАП 278
ЦАП на основе резистивной матрицы 279
ЦАП на основе R–2R-матрицы 280
ЦАП с использованием источников тока 280
ЦАП с перераспределением зарядов 281
Комбинированный ЦАП 282
Последовательный ЦАП 282
4.3. Активные фильтры 283
Общие сведения 283
Основные параметры фильтров 286
Фильтры нижних частот 288
Фильтр Баттерворта 290
Фильтр Чебышева 290
Фильтр Бесселя 290
Фильтр Кауэра (эллиптический фильтр) 291
Определение порядка фильтра 291
Схемы каскадов ФНЧ 1-го и 2-го порядка 294
Методика расчета ФНЧ Баттерворта, Чебышева и Бесселя 295
Методика расчета эллиптического ФНЧ 303
Фильтры верхних частот 316
Схемы каскадов ФВЧ 1-го и 2-го порядка 316
Методика расчета ФВЧ Баттерворта, Чебышева и Бесселя 317
Схемы каскадов ФВЧ Кауэра 1-го и 2-го порядка 318
Методика расчета ФВЧ Кауэра 318
Полосовые фильтры 319
Заграждающие фильтры 322
Фазовые фильтры 324
4.4. Схемы с переключаемыми конденсаторами (ПК) 327
Замещение резисторов схемами с переключаемыми
конденсаторами 327
Типовые схемы на переключаемых конденсаторах 329
Проектирование фильтров на переключаемых конденсаторах 329
Масштабирование цепей 338
Парафазный ФНЧ 1-го порядка 339
Обобщенное ПК-звено 2-го порядка 339
4.5. Дельта-сигма АЦП 348
Структурная схема и основные характеристики  АЦП 348
Основные этапы проектирования  АЦП 352
 модулятор 1-го порядка с однофазным входом 353
 модулятор 2-го порядка с парафазным входом 354
 модулятор 3-го порядка с парафазным входом 355
Факторы, влияющие на характеристики  модулятора 357
4.6. Элементы систем фазовой автоподстройки частоты 359
Общие положения 361
Примеры построения петлевых фильтров 365
Фазовый детектор на элементе исключающее ИЛИ 366
Фазочастотный детектор 368
Примеры построения генераторов управляемых напряжением 372
4.7. Аналоговые вычислительные блоки 374
Интегратор 374
Дифференциатор 375
Логарифмический усилитель 376
Антилогарифмический усилитель 377
Логарифмический умножитель 377
Логарифмический делитель 378
Дифференциальный усилитель 379
Суммирующий усилитель 379
Неинвертирующий усилитель 381
Преобразователь ток–напряжение (усилитель тока) 381
Преобразователь напряжение–ток 382
Логарифмический преобразователь ток–напряжение 382
Инструментальный усилитель на двух ОУ 383
Инструментальный усилитель на трех ОУ
(электрометрический вычитатель) 383
Двухполупериодный выпрямитель с незаземленной нагрузкой 384
Двухполупериодный выпрямитель с заземленной нагрузкой 385

5. АНАЛОГОВЫЕ СИГНАЛЫ И СИСТЕМЫ 386
5.1. Представление аналоговых сигналов 386
Представление сигналов во временной и частотной областях 386
Дискретные сигналы 388
Частотно-временные характеристики системы 389
Применение преобразования Лапласа для анализа
аналоговых цепей 390
Применение z–преобразования для анализа дискретных цепей 392
Соотношения между характеристиками аналоговых
и дискретных цепей 394
5.2. Устойчивость систем с обратной связью 397
Общие сведения 397
Критерий устойчивости Найквиста 398
Запас устойчивости операционных схем 2-го порядка и методы
его оценки 401
5.3. Методы оценки граничных частот 405
Общие сведения 405
Метод оценки верхней граничной частоты 406
Метод оценки нижней граничной частоты 407
Соотношения частотных и временных характеристик
для малого сигнала 408
5.4. Краткие сведения по шумам 409
Общие сведения 409
Шумящие двух- и четырехполюсники 410
Коэффициент шума четырехполюсника 411
МОП-транзистор, как шумящий четырехполюсник 413
5.5. Нелинейные искажения. Динамический диапазон
многокаскадной системы 414
Общие сведения 414
Коэффициент шума многокаскадной системы 414
Продукты нелинейных искажений 415
Коэффициент гармоник 416
Параметры для оценки интермодуляционных искажений 417
Оценка интермодуляционных искажений в многокаскадной
системе 418
Оптимизация динамического диапазона многокаскадной
системы 419

ПРИЛОЖЕНИЯ 421
П1. Цифроаналоговая библиотека ОАО «Ангстрем» 421
П2. Некоторые из аналоговых и цифроаналоговых
КМОП-интегральных схем серии 1446, серийно выпускаемых
ОАО «Ангстрем» 425
П3. Некоторые русскоязычные термины и их англоязычные
эквиваленты 437
П4. Единицы измерения, приставки и множители 441

Список литературы 445