Микросхемотехника. Аналоговая микросхемотехника

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Томский государственный университет  
систем управления и радиоэлектроники  
 
 
 
 
 
 
Н.С. Легостаев, К.В. Четвергов 
 
 
 
 
МИКРОСХЕМОТЕХНИКА 

Аналоговая микросхемотехника 
 
 
Учебное пособие 
 
Рекомендовано Сибирским региональным отделением 
учебно-методического объединения высших учебных 
заведений РФ по образованию в области радиотехники,  
электроники, биомедицинской техники и автоматизации 
для межвузовского использования в качестве 
учебного пособия для студентов, обучающихся 
по направлению подготовки бакалавров 
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» 
с профилем «Промышленная электроника» 
 
 
 
 
 
Томск  
Издательство ТУСУРа 
2014

УДК 621.382.049.77.037.33(075.8) 
ББК 32.844.15я73 
 
Л387 
 
 
Рецензенты: 
Ярославцев Е.В., зам. заведующего кафедрой промышленной  
и медицинской электроники Национального исследовательского  
Томского политехнического университета,  
канд. техн. наук, доцент; 
Целебровский И.В., зам. директора НИИ автоматики  
и электромеханики по научной работе, канд. техн. наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
Легостаев, Николай Степанович 
Л387  
Микросхемотехника. Аналоговая микросхемотехника : учеб. 
пособие / Н.С. Легостаев, К.В. Четвергов. – Томск: Изд-во Томск. 
гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2014. – 238 с.  
ISBN 978-5-86889-677-4 
Рассмотрены общие положения аналоговой микросхемотехники, 
приведена классификация аналоговых интегральных микросхем, представлены основные функциональные узлы интегральных схем, интегральные операционные усилители, стабилизаторы напряжения, аналоговые компараторы и перемножители, их схемотехническое построение, 
характеристики и параметры.  
Для студентов, обучающихся по направлению 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» с профилем «Промышленная электроника». 
УДК 621.382.049.77.037.33(075.8) 
ББК 32.844.15я73 
 
 
 
 
 
 
                
ISBN 978-5-86889-677-4 
 Легостаев Н.С., Четвергов К.В., 2014  
 
 Томск. гос. ун-т систем упр.  
 
     и радиоэлектроники, 2014

– 3 – 

ǂ‰ÂÌË 
 
 
Курс «Микросхемотехника» входит в вариативную часть 
профессионального цикла дисциплин подготовки бакалавров по 
направлению 210100.62 «Электроника и наноэлектроника». Целью 
преподавания дисциплины «Микросхемотехника» является ознакомление с основными направлениями современной микросхемотехники, приобретение знаний в области схемотехнического проектирования микроэлектронной аппаратуры, включая устройства 
и системы промышленной электроники.  
Данное учебное пособие охватывает вопросы аналоговой 
микросхемотехники. Пособие содержит 6 тематических разделов.  
В разделе 1 изложены основы аналоговой микросхемотехники: основные и специальные аналоговые функции, классификация 
аналоговых интегральных микросхем, принципы схемотехнической реализации аналоговых интегральных схем. 
В разделе 2 рассматриваются схемотехнические структуры 
аналоговых интегральных микросхем: источники постоянного тока и напряжения, дифференциальные каскады на биполярных и 
полевых транзисторах, каскады сдвига потенциальных уровней, 
выходные каскады. 
Разделы 3–6 посвящены наиболее распространенным типам 
аналоговых интегральных микросхем. Схемотехническая реализация, характеристики и параметры интегральных операционных 
усилителей представлены в разделе 3, стабилизаторов постоянного напряжения — в разделе 4, аналоговых компараторов — в разделе 5 и аналоговых перемножителей — в разделе 6. 

– 4 – 

1. éÒÌÓ‚˚ ‡Ì‡ÎÓ„Ó‚ÓÈ  
ÏËÍðÓÒıÂÏÓÚÂıÌËÍË 
 
 
1.1. éÒÌÓ‚Ì˚Â Ë ÒÔˆˇθÌ˚ ‡Ì‡ÎÓ„Ó‚˚ ÙÛÌ͈ËË 
 
Аналоговые интегральные схемы (АИС) предназначены для 
преобразования аналоговых сигналов — физических величин (напряжение, ток, частота колебаний  и т.д.), мера которых отображает (кодирует) информацию. Выполняемые реальными интегральными схемами (ИС) преобразования можно представить в виде 
аналоговых функций (АФ), описывающих действия, производимые АИС над сигналами. 
Аналоговые функции как идеализированные модели преобразования сигналов не учитывают ошибки, присущие реальным 
АИС и вызываемые такими факторами, как конечное значение  
сопротивлений схем, частотные и температурные зависимости, 
дрейф параметров, взаимное рассогласование элементов, шумы, 
нестабильность при изменении питающих напряжений и т.д. Замена реальных АИС идеализированными аналоговыми функциями 
упрощает синтез микроэлектронной аппаратуры (МЭА) и является 
оправданной, поскольку аналоговые схемы обладают большими 
запасами по усилению, стабильности, точности и другим параметрам и характеристикам, применяются в таких включениях и режимах, в которых ошибки АИС оказываются несущественными 
с точки зрения задач, решаемых микроэлектронной аппаратурой. 

– 5 – 

Многообразие задач, возлагаемых на МЭА, предполагает количество разновидностей АФ бесконечно большой величиной. 
Однако для унификации и удобства проектирования МЭА из всего 
множества реальных АФ выделяют лишь основные аналоговые 
функции (ОАФ): усиление, сравнение, ограничение, перемножение, частотную фильтрацию. 
Перечисленные функции в совокупности образуют функционально полную систему операций, совершаемых над аналоговыми 
сигналами, и являются удобными, так как они воплощены в виде 
АИС. 
Например, функцию усиления реализуют ИС операционных 
усилителей (ОУ); функцию сравнения — ИС ОУ и компараторов 
напряжения; функцию перемножения — ИС перемножителей и т.д. 
При синтезе МЭА используют также специальные аналоговые 
функции (САФ), которые образуют с помощью структур, состоящих из основных аналоговых функций, эталонов и навесных компонентов. 
Специальные аналоговые функции реализуют АИС стабилизаторов напряжения, взаимного преобразования аналоговых и 
цифровых величин, так как основаны на применении аналоговых  
эталонов напряжения (в виде стабилизаторов и высокоточных резистивных матриц) в сочетании с ОАФ, реализуемых ОУ или компараторами. 
 
1.2. ä·ÒÒËÙË͇ˆËfl ‡Ì‡ÎÓ„Ó‚˚ı ËÌÚ„ð‡Î¸Ì˚ı ÒıÂÏ 
 
Производство аналоговых ИС определяется техническими 
возможностями изготовления активных и пассивных элементов с 
требуемыми параметрами, а их применение — мощностью и способностью преобразования сигналов переменного тока.  
По мере усовершенствования технологии и методов проектирования номенклатура и выпуск аналоговых ИС увеличиваются. 
Этому способствует:  
 создание транзисторных структур с высокими пробивными 
напряжениями; 
 создание высокочастотных транзисторов в интегральном 
исполнении; 

– 6 – 

 высокая степень согласования одинаковых параметров различных элементов, выполняемых в одном кристалле; 
 создание биполярных транзисторов типов n-p-n и p-n-p  
в одном кристалле единым технологическим процессом; 
 технологическая реализация RLC-структур с распределенными параметрами в микроэлектронном исполнении; 
 совершенствование технологических процессов микроэлектроники в целом. 
Перечисленные факторы позволяют реализовать в интегральном исполнении основные и специальные аналоговые функции, 
что обеспечило создание широкой номенклатуры аналоговых ИС. 
В зависимости от выполняемой функции аналоговые ИС подразделяются на следующие классы: операционные усилители,  
инструментальные ИС, радиочастотные ИС, силовые ИС (рисунок 1.1). 
 

 
Рисунок 1.1 – Классификация аналоговых интегральных микросхем 
 
Операционный усилитель — это многоцелевая ИС, предназначенная для построения схем с фиксированным коэффициентом 
передачи и точно синтезированной  передаточной функцией. 

– 7 – 

Инструментальная аналоговая ИС — многоцелевая ИС, осуществляющая прецизионные преобразования аналоговых сигналов 
и обеспечивающая выполнение комплекса требований по точности, частотным свойствам и электрическим параметрам. От операционных усилителей инструментальные ИС отличаются либо  
наличием цифровых цепей наряду с аналоговыми, либо внутренними обратными связями, реализующими стабилизацию определенных электрических параметров.  
Силовые ИС используются в источниках вторичного электропитания, усилительных и передающих устройствах. 
Радиочастотные ИС предназначены для усиления и преобразования сигналов радиотехнического диапазона волн. 
Среди аналоговых ИС наибольшее применение получили операционные усилители. ОУ используются как основные функциональные узлы в различных линейных и нелинейных устройствах. 
Широкому распространению ОУ в значительной мере способствовали успехи микроэлектроники, что позволило снизить стоимость 
и размеры ОУ до стоимости и размеров транзисторов. Надежность 
операционных усилителей мало уступает надежности транзисторов, а по своим функциональным возможностям они относятся к 
самым универсальным элементам микроэлектронной аппаратуры. 
Высокий коэффициент усиления, стабильность нулевого уровня, 
высокое входное и низкое выходное сопротивление, высокое быстродействие и возможность работы с разнообразными цепями 
обратной связи позволяют выполнять различные преобразования 
входного сигнала — суммирование, вычитание, интегрирование, 
дифференцирование, сравнение, запоминание, умножение, логарифмирование, возведение в степень и ряд других. 
Операционные усилители характеризуются большим числом 
параметров, значения которых варьируются в широких пределах 
исходя из предъявляемых к ОУ требований. Учитывая это, представленная классификация операционных усилителей отражает 
наиболее важные параметры. 
 ОУ общего применения для построения МЭА, имеющей 
суммарную приведенную погрешность на уровне 1 %. Они характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем 
параметров. 

– 8 – 

 Быстродействующие широкополосные ОУ для преобразования быстроменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем 
установления, высокой частотой единого усиления, а по остальным параметрам, как правило, уступают ОУ общего применения. 
 Прецизионные ОУ для усиления малых электрических сигналов, сопровождаемых высоким уровнем помех. Такие усилители 
характеризуются малым значением напряжения смещения и его 
температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и 
подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов, но как, правило, имеют невысокое 
быстродействие. 
 Микромощные ОУ для применения в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована.  
Однако для разработки ОУ недостаточна классификация по 
параметрам. Необходима классификация по принципам построения или структурным схемам ОУ. 
 
1.3. èðË̈ËÔ˚ ÒıÂÏÓÚÂıÌËÍË  
‡Ì‡ÎÓ„Ó‚˚ı ËÌÚ„ð‡Î¸Ì˚ı ÏËÍðÓÒıÂÏ 
 
Принципы схемотехники АИС стали результатом интенсивных исследований, направленных на выявление принципиальных 
различий между аналоговыми интегральными схемами и схемами 
на дискретных компонентах. Они отражают специфику технологии производства АИС и тенденцию роста степени интеграции их 
функциональных узлов. Их два: принцип взаимного согласования 
цепей и принцип схемотехнической избыточности при ограничении размеров полезной площади подложки или кристалла. 
Принцип согласования цепей заключается в такой их конструкторско-технологической реализации, при которой требуемые 
электрические параметры оказываются пропорциональными друг 
другу в широком интервале внешних воздействий. 
Взаимное согласование схемотехнических структур осуществляется за счет близкого расположения соответствующих элементов их топологии на подложке. Достигаемая при этом идентич

– 9 – 

ность (или строгая пропорциональность) параметров обусловлена 
тем, что исходные материалы и процессы технологической обработки для таких элементов (или структур) практически одинаковы. Возможность изготовления схемных элементов с идентичными характеристиками и весьма близкими тепловыми режимами 
позволила создать прецизионные структуры аналоговых функциональных узлов (дифференциальные каскады, эталоны тока и напряжения и т.п.) с параметрами, не реализуемыми схемами на 
дискретных компонентах.  
Принцип схемотехнической избыточности заключается 
в усложнении схемотехники АИС для улучшения их качества, минимизации площади кристалла и повышения технологичности. 
Принципы схемотехники аналоговых интегральных схем обусловлены ограничениями и возможностями технологии их изготовления. 
Ограничения. Технология изготовления полупроводниковых 
интегральных схем преимущественно ориентирована на создание 
схем, в которых n-p-n-транзисторы имеют оптимальные параметры. При этом характеристики других элементов являются производными и значения их параметров в значительной степени  
предопределены и ограничены. С целью получения требуемых характеристик таких наиболее важных элементов, как транзисторы 
со сверхбольшим коэффициентом усиления или полевые транзисторы, в технологический процесс изготовления n-p-n-структур 
иногда вводят дополнительные стадии. Однако основной метод 
преодоления ограничений, обусловленных процессом изготовления, заключается в приспособлении схемно-конструктивных решений к требованиям технологии, а не в разработке специальной 
технологии для конкретной схемы. 
Другое ограничение связано с реализацией высокоомных резисторов и конденсаторов с емкостями, превышающими десятки 
пикофарад, поскольку это сопровождается увеличением необходимой площади кристалла. Поэтому высокоомные резисторы 
обычно реализуются в виде большого динамического внутреннего 
сопротивления активных источников тока на транзисторах (для 
транзисторов не требуется большая площадь), а в усилительных 

– 10 – 

схемах часто используются сложные элементы, такие как пары 
Дарлингтона, составные транзисторы и управляемые источники 
тока. 
Большие емкости невозможно реализовать даже посредством 
увеличения их площади на кристалле. По этой причине недопустимо применение межкаскадных конденсаторов, а проблемы согласования уровней каскадов и стабилизации их режима решают 
в пределах более технологичной, хотя и усложненной, схемотехники структур с непосредственными связями.  
Резисторы с допустимым разбросом сопротивлений менее 
(5–10) %  не могут быть получены без снижения выхода годных. 
Однако значения отношений сопротивлений с точностью, на  
порядок превышающей эти значения, можно достичь без дополнительного усложнения технологических процессов. Поэтому 
схемотехника АИС направлена на то, чтобы качественные характеристики интегральных схем определялись не абсолютными значениями сопротивлений, а главным образом их отношениями.  
Возможности. Интегральная технология открывает пути 
создания схемных элементов, позволяющих получить качественно 
новые свойства. Среди них можно назвать многоэмиттерные транзисторы (которые не могут быть реализованы на дискретных компонентах), согласованные транзисторы и т.п.  
В отличие от разработчиков электронных схем на дискретных 
компонентах, разработчики интегральных схем не имеют возможности произвольно выбирать схемные компоненты, оптимальные 
с точки зрения выполнения конкретной функции, но они могут в 
допустимых пределах изменять технологические режимы для достижения желаемых результатов.      
В немалой степени схемотехнику интегральных схем определяют допустимая мощность рассеяния ИС, необходимость обеспечения стабильности параметров в широком диапазоне изменения 
внешней температуры, а также защиты транзисторов ИС от перегрузок по току.  
В настоящее время в результате интенсивных исследований 
с применением самых современных методов анализа и расчета 
разработан набор широко используемых аналоговых функцио