Схемотехнические особенности в интегральных микросхемах (ИМС)

Благодаря своим преимуществам ИМС нашли очень широкое применение в логических (цифровых), усилительных и преобразовательных устройствах.

Схемные решения в ИМС имеют свои специфические особенности, которые требуют и соответствующих схемных решений. Схемотехника построения ИМС во многом определяет их технологические особенности и требования. Эти особенности налагают ряд ограничений, но открывают и широкие возможности для новых схемных решений в ИМС. Специфика ограничений в схемотехнических решениях ИМС обусловлена следующими факторами:

— понятие о сложности схемы в ИМС отличается от аналогичного понятия в дискретных схемах; анализ технологических процессов в ИМС показал, что во многих случаях изготовление резисторов и конденсаторов больших сопротивлений и емкостей сложнее и они занимают больше места, чем транзистор, а трансформаторы и индуктивности вообще изготовить невозможно; для повышения степени интеграции АИМС пассивные элементы исключаются из структуры; отсюда возникает проблема межкаскадных связей при построении усилителей переменного тока и получение заданного режима работы по постоянному току;
— ограниченный теплоотвод в полупроводниковых ИМС из- за их малых размеров, требуются очень малые токи транзисторов ИМС, что ограничивает мощность транзисторов, следовательно, и мощность усилительных схем;
— исходя из требований технологичности, ИМС изготавливают по одной универсальной структуре (ТТЛ, ЭСЛ, И²Л, МДП, МОП) на активных элементах одной структуры (р-п-р или п-р-п, канал п- типа или /)-типа) и одной мощности, что ограничивает применение транзисторов разных структур и мощностей в отдельных каскадах;
— технологические особенности изготовления ИМС также ограничивают построение в единой структуре транзисторов и диодов из-за отличительных особенностей их структуры построения; это ограничивает применение диодных структур при построении схем;
— невозможность внесения изменений в структуру ИМС в процессе их эксплуатации, что не позволяет непосредственно изменять технические показатели работы ИМС;
— близкое расположение элементов в ИМС создает их взаимное паразитное влияние друг на друга, что существенно влияет на статические параметры элементов и качество работы схем;
— для применения маломощных транзисторов в ИМС требуется хорошая стабилизация напряжения по сравнению с дискретной схемой.

Однако имеется и ряд факторов, которые улучшают схемотехнические решения:

— повышенная степень интеграции ИМС позволяет создать достаточно большое количество активных элементов (транзисторов), на основе которых можно построить многокаскадные схемы;
— возможность создания очень близких тепловых резисторов для элементов ИМС благодаря их расположению на одной подложке на минимальном расстоянии друг от друга, что позволяет достичь одинаковых температурных зависимостей;
— наличие активных элементов, которые не могли быть реализованы (созданы) в дискретном исполнении: многоэмиттерные и много коллекторные транзисторы, которые создают и новые схемные решения;
— отсутствие соединительных проводников между элементами ИМС исключает активное сопротивление, в результате чего уменьшается нагрев схемы и потребляемая мощность.

Все это потребовало от разработчиков создания новых оригинальных схемных решений, которые учитывали бы все особенности ИМС, перечисленные выше, в том числе и их функциональное назначение (аналоговые или цифровые схемы).

Особенно важно то, что возможно создание схем с токами покоя, равными нулю, снижение уровней переключаемых сигналов, исключение резисторов в схемах усилителей напряжения и ограничителей тока, замена резисторов динамическими элементами с малыми сопротивлениями для постоянного тока и большими для переменного тока (это позволяет снизить тепловые потери).