wzmaczniacze operacyjne-list2003, AiR WIP, III semestr, ENEKT energoelektronika
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Laboratorium Elektrotechniki i Elektroniki
dla studentów WIP
Temat:
Badanie wzmacniacza operacyjnego
materiały pomocnicze do laboratorium elektroniki, elektrotechniki i energoelektroniki wyłącznie do
użytku wewnętrznego przez studentów WIP PW
bez prawa kopiowania i publikowania
Zakład Trakcji Elektrycznej
IME PW 2003
1. Rozwiązania konstrukcyjne układów scalonych
Monolityczny układ scalony stanowi strukturę, która obejmuj półprzewodnikowe podłoże scalające
oraz wytworzone w jego objętości i na powierzchni obszary funkcjonalne elementów czynnych i
biernych, obszary izolujące, połączenia wewnętrzne oraz doprowadzenia zewnętrzne. Wszystkie
wymienione elementy układu elektronicznego wykonuje się na krzemowej płytce
półprzewodnikowej typu
p,
nakładając na nią najpierw za pomocą specjalnych metod warstwę typu
n. W procesie wytwarzania wykorzystywane są te same operacje technologiczne, co przy
wykonywaniu indywidualnych diod i tranzystorów. Wieloletnie doświadczenia, zdobyte na tym
polu, spowodowały obserwowany od kilkunastu lat szybki rozwój półprzewodnikowych układów
scalonych.
Do budowy półprzewodnikowych układów scalonych wykorzystywany jest wyłącznie krzem.
Charakteryzuje się on między innymi stosunkowo wysoką dopuszczalną temperaturą pracy małymi
prądami wstecznymi w złączach
p-n.
Własności krzemu zapewniają również łatwe wytworzenie na
jego powierzchni warstwy dwutlenku krzemu (SiO2), mającej zastosowanie jako warstwa ochronna
umożliwiająca dokonanie selektywnej dyfuzji i zabezpieczająca przed wpływami zewnętrznymi
oraz warstwa izolacyjna, umożliwiająca dokonanie niezbędnych połączeń na powierzchni układu
scalonego.
W celu otrzymania płytek wykorzystywanych na podłoża półprzewodnikowe konieczne jest
wytworzenie monokryształów krzemu. Wykonywane monokryształy mają zwykle postać walca o
średnicy około 3 cm i długości kilkudziesięciu centymetrów. Pręty te cięte są prostopadle do osi na
cienkie płytki, następnie są poddawane mechanicznemu szlifowaniu i polerowaniu.
Rys.1.1 Porównanie konstrukcji tranzystora konwencjonalnego z tranzystorem scalonym: a) zwykły
tranzystor planarny, b) tranzystor scalony z warstwą podkolektorową
Konstrukcja tranzystora scalonego jest nieco odmienna niż zwykłego tranzystora. W
indywidualnym tranzystorze planarnym że stanowi obszar kolektora, co umożliwia wykonywanie
doprowadzenia kolektora po przeciwnej stronie niż doprowadzenia i emitera. W tranzystorach
scalonych doprowadzenia do obszaru kolektora, bazy i emitera znajdują się po stronie płytki,
umożliwiając wykonanie wszystkich połączeń na powierzchni układu. Wadą takiego rozwiązania
jest wzrost rezystancji szeregowej złącza kolektorowej
Rc,
mający niekorzystny wpływ na
częstotliwość graniczną tranzystora i kształt jego charakterystyk statycznych. Zmniejszenie
rezystancji szeregowej kolektora można uzyskać; przez wytworzenie w podłożu — wszędzie tam,
gdzie mają być zlokalizowane tranzystory - obszarów o takim samym typie przewodnictwa jaki ma
kolektor, lecz silniej domieszkowanych. Wytworzenie takiego obszaru, zwanego warstwą
podkolektorową lub zagrzebaną
,
jest pierwszym etapem powstawania układu scalonego.
Przygotowaną wstępnie płytkę podłoża krzemowego o grubości około 200 mikronów poddaje się
procesowi utleniania w temperaturze przekraczającej 1000°C
.
Uzyskuje się dzięki temu trwałą
warstwę dwutlenku krzemu
o
grubości około 1 mikrona.
1
Następnym procesem obróbki płytki jest
maskowanie,
czyli wykonywanie w warstwie
SiO2
metodą
fotolitografii odpowiedniej konfiguracji otworów (zgodnie z rysunkiem topograficznym rozkładu
elementów układu scalonego). Metoda ta jest analogiczna do powszechnie stosowanej metody
produkcji obwodów drukowanych. Rysunek topograficzny, na podstawie którego powstaje
fotomaska, wykonywany jest zwykle w kilkudziesięciokrotnym powiększeniu, a następnie
zmniejszany do rozmiarów podłoża za pomocą precyzyjnych urządzeń fotograficznych
Po przygotowaniu fotomaski wykonuje się maskę z dwutlenku krzemu. Na utlenioną powierzchnię
płytki podłoża nakłada się światłoczułą emulsję
,
która po wysuszeniu i utwardzeniu oraz pokryciu
fotomaską poddawana jest naświetlaniu promieniami ultrafioletowymi. Miejsca przysłonie
fotomaską nie zostają naświetlone i rozpuszczają się w wywoływaczu,
odsłaniając warstwę
SiO2
.
Następnie płytkę poddaje się kąpieli trawiącej, w której warstwa SiO2 zostaje wytrawiona tylko w
miejscach odsłoniętych. Kolejnym etapem jest usunięcie emulsji maskującej.
Płytkę podłoża z wykonaną na jej powierzchni maską tlenkową umieszcza się następnie w wysokiej
temperaturze, w atmosferze par związków domieszek, w wyniku czego następuje proces dyfuzji.
Proces ten polega na wprowadzeniu do przewodnika domieszek o innej wartościowości.
Kolejnym etapem w procesie wytwarzania układów scalonych jest osadzanie na podłożu typu p
warstwy epitaksjalnej typu
n o
dużej rezystancji właściwej. Poprzez kilkakrotne przeprowadzanie
procesu dyfuzji, kolejne zmiany domieszek, zmiany koncentracji i jej rozkładu oraz głębokości
wnikania atomów domieszki można wytworzyć wielokrotne złącza
p-n
na różnych głębokościach.
Utworzenie omawianych warstw (podkolektorowej i epitaksjalnej) umożliwia uzyskanie
wysokonapięciowych tranzystorów o małej rezystancji szeregowej złącza kolektorowego, a tym
samym o dużej częstotliwości granicznej i małym napięciu nasycenia. Obie warstwy, mając
przeciwny typ przewodnictwa w stosunku do podłoża, tworzą z nim złącze
p-n
izolujące elementy
układu od podłoża.
Kolejną czynnością po ułożeniu warstwy epitaksjalnej jest wytworzenie odizolowanych od siebie
(za pomocą złączy
p-n)
wysp, na których później formowane są poszczególne elementy układu,
takie jak rezystory i diody. Do realizacji tego procesu ponownie wykorzystuje się opisaną na
wstępie metodę fotolitografii.
W następnym procesie fotolitograficznym wykonuje się maskę do przeprowadzania selektywnej
dyfuzji baz tranzystorów
Po dyfuzji baz stosuje się następny proces fotolitograficzny, z użyciem kolejnej fotomaski, w
wyniku którego uzyskuje się odpowiednie obszary do dyfuzji emiterów i warstw pod
wyprowadzenia. W tej ostatniej dyfuzji stosuje się odpowiednią koncentrację domieszek w celu
utworzenia obszarów o małej rezystancji właściwej.
W warstwie tlenkowej, wytworzonej po dyfuzji emiterów, na całej powierzchni płytki wykonuje się
otwory w kolejnym procesie fotolitografii, odsłaniając część obszarów emiterów, baz, kolektorów i
wyprowadzeń w celu dokonania metalizacji. Materiałem stosowanym na warstwy metaliczne jest
aluminium.
Maksymalne upakowanie obwodów oraz połączeń między obwodami wewnątrz układu scalonego
stwarza konieczność wykonywania skrzyżowań ścieżek. Jedno z możliwych rozwiązań
skrzyżowania ścieżek połączeniowych zostało przedstawione na rysunku:
2
Rys.1.2 Rozwiązanie skrzyżowania ścieżek połączeniowych w układzie scalonym
Wytwarzanie scalonych diod, rezystorów, cewek i kondensatorów
Struktury tranzystorowe wykorzystywane są również jako diody przez odpowiednie połączenie
elektrod. Za pomocą metalizaji zwiera się złącze baza-kolektor tranzystora
n-p-n.
Funkcję diody
spełnia więc złącze emiterowe tranzystora. Wsteczne napięcie przebicia takiej diody (ok. 6,3 V)
może być wykorzystywane jako napięcie odniesienia np. w scalonych stabilizatorach napięcia.
Technologia wytwarzania rezystorów w układach scalonych jest analogiczna, jak w przypadku
tranzystorów. Są to rezystory warstwowe, wytwarzane za pomocą odpowiednich procesów
dyfuzyjnych. Mają one kształt cienkich, wydłużonych ścieżek. Rezystory o wartościach rezystancji
od kilku do kilkudziesięciu omów mogą być wytwarzane jednocześnie z formowaniem emitera, w
zakresie zaś średnich wartości (od kilkuset omów do kilkudziesięciu kiloomów) — jednocześnie z
dyfuzją bazy. Sposób wykonania rezystora o średniej wartości rezystancji pokazano na rysunku:
Rys.1.3 rezystor scalony wykonany metodą dyfuzji: a) widok z boku, b) widok z dołu
3
Większe wartości rezystancji można uzyskać wykorzystując rezystancję wyjściową
tranzystorowego układu wspólnego emitera lub też przeprowadzając dodatkowo dyfuzję warstwy
emiterowej na całej powierzchni rezystora. Wadą warstwowych rezystorów dyfuzyjnych jest
stosunkowo duża tolerancja ich wartości, wynosząca około ±25%. Dlatego też, biorąc pod uwagę
tolerancję wartości, trudności technologiczne i zajmowaną powierzchnię, konstruktorzy układów
scalonych dążą do takiego ich projektowania, aby przez zwiększenie liczby tranzystorów
zmniejszyć do minimum liczbę rezystorów.
Elementy reaktancyjne LC w układach monolitycznych są stosowane stosunkowo rzadko.
Powodem tego są małe indukcyjności i dobroci płaskich spiral przewodzących z jakich mogą być
wykonane cewki - oraz duże powierzchnie kondensatorów, które przy pojemności kilkunastu
pikofaradów zajmują powierzchnię równą powierzchni dwudziestu tranzystorów.
Ostatnim procesem przed zamontowaniem scalonego układu w obudowie jest mechaniczne
rozdzielenie poszczególnych układów, zwielokrotnionych w procesie maskowania, a wykonanych
na tej samej płytce półprzewodnikowej, oraz wykonanie wyprowadzeń. Połączenie wyprowadzeń
układów półprzewodnikowych z doprowadzeniami zewnętrznymi układu scalonego oraz niektóre
połączenia wewnętrzne wykonywane są za pomocą cienkich drutów złotych lub złoconych, metodą
łączenia .termokompresyjnego albo spawania strumieniem elektronów lub promieniem laserowym
2. Wiadomości ogólne o wzmacniaczu operacyjnym idealnym
Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych zagadnień związanych z analogowymi układami
przetwarzającymi sygnały elektryczne opartymi o scalony wzmacniacz operacyjny. Zastosowanie w
układzie: sumującym, różniczkującym , całkującym, prostowniku idealnym
_
U
we1
+
U
wy
U
we2
Rys.2.1 Wzmacniacz operacyjny - symbol z napięciami
Działanie idealnego wzmacniacza operacyjnego polega na wzmacnianiu napięcia między wejściem
(+) a wejściem (-) czyli będącego różnicą napięć wejściowych U= Uwej1 - Uwej2 ze
wzmocnieniem K nieskończenie dużym. Wzmacniacz charakteryzuje się parametrami :
- wzmocnienie K = ∞ dla częstotliwości f = < 0, ∞ )
-
rezystancja wejściowa między ( + ) a ( - ) równa ∞
-
rezystancja wyjściowa = 0
Dowolnie małe napięcie wejściowe ( różnicowe między + a - ) wywołuje nieskończenie duże
napięcie wyjściowe o znaku zależnym od znaku napięcia wejściowego
Uwyj = K ( Uwej1 - Uwej2 ).
Sam wzmacniacz może stanowić komparator. Porównuje napięcia wejściowe. Gdy napięcie Uwe1
> Uwej2 to na wyjściu pojawia się maksymalne napięcie dodatnie ( ograniczone napięciem
4
[ Pobierz całość w formacie PDF ]