А. Гольдшер, П. Дик, Ю. Докучаев, В. Кучерский

Микросхема управления диодными нагрузками А 1211

Микросхема А 1211 (ИС) предназначена для преобразования ТТЛ-уровней в противофазные сигналы, необходимые для управления диодными нагрузками.

Основные характеристики:

• напряжение питания, U_CC:
• A 1211A - U_CC1 = 5 B;
  U_CC2 = минус 5 B;
• A 1211Б – U_CC1 = 9 B;
  U_CC2 = минус 9 B;
• количество преобразователей - 3;
• номинальный ток нагрузки, I_H - 20 мА;
• время установления выходного сигнала, t_уст - 50 нс (при номинальных режимных токах потребления);
• допускается асимметричное питание при условиях:
  1. U_CC1 2 В; |U_CC2| 2 В;
  2. U_CC1 + |U_CC2| 10 В (18 В) для А 1211А (А 1211Б).

Функциональное назначение микросхемы, требования к её параметрам и режимам эксплуатации предопределили структурную схему ИС. Она приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема ИС А 1211

В частности, согласование с ТТЛ входными сигналами обусловило необходимость использования одного из известных вариантов стандартных ТТЛ (ТТЛШ) входных каскадов [1]. Дифференциальная нагрузка потребовала наличия в ИС блока преобразования однофазного входного сигнала в парафазные. Парафазные сигналы через согласующие элементы сдвига уровня подаются на выходные каскады, формирующие двухполярный выходной ток в резистивно-диодной нагрузке.

К выходным каскадам предъявляется ряд специфических требований, определивших их структуру. Известные схемотехнические решения их реализации или не обеспечивают симметрию выходных импульсов относительно шин питания [2], или же характеризуются большой потребляемой мощностью и одновременно низким быстродействием из-за ограниченного усиления выходных транзисторов [3].

На рис. 2 представлена упрощённая принципиальная схема двухтактного ключевого выходного каскада, предложенная авторами.

Она содержит фазоинвертор с динамической нагрузкой на транзисторе VT2, верхнее плечо на VT3 и VT5, нижнее плечо на VT6 и элементы защиты от сквозных токов на VD1, VD2.

Рисунок 2. Упрощённая принципиальная схема двухтактного ключевого выходного каскада

Установившееся значение выходного напряжения высокого уровня U_OH определяется напряжением источника питания U_CC1 за вычетом напряжения насыщения коллектор-эмиттер транзистора VT4 и напряжения на прямосмещённом переходе база-эмиттер VT5. Выходное напряжение низкого уровня U_OL задаётся напряжением источника U_CC2 за вычетом напряжения насыщения коллектор-эмиттер транзистора VT6 и напряжения на прямосмещённом диоде VD2. Следовательно, предложенная схема обеспечивает одно из важнейших требований, предъявляемых к ИС управления диодными нагрузками, - максимальный размах и симметрию выходных сигналов.

Особенность схемы состоит в том, что положительный перепад выходного напряжения формируется в два этапа: а) ускоренное нарастание за счёт каскадного соединения транзисторов VT3 и VT5; б) дополнительное увеличение выходного уровня после выключения VT3 транзистором VT5 и генератором тока на VT4. За счёт этого достигается высокое быстродействие, сопоставимое со схемой на составных транзисторах [2].

Выполнение элементов сдвига уровня на торцевых p-n-p-транзисторах позволило обеспечить "гибкий" выбор напряжений источников питания (без ухудшения динамических параметров ИС). Регулируемый блок задания режима позволяет оптимизировать энергетические и динамические характеристики, в зависимости от конкретного применения ИС в аппаратуре. Это достигается путём подключения внешнего резистора R_рег. В частности, при минимальных средних токах потребления I_{ПОТ.ср.реж.}, равных 1,5 и 3,0 мА для А 1211А и А 1211Б, соответственно, величины t_уст. ~150 нс.

Микросхема содержит три преобразователя уровней на одном кристалле, два из которых объединены по источнику питания U_CC1, а один - автономен.

В качестве элементной базы ИС использованы n-p-n высокочастотные транзисторные структуры, преимущественно с диодами Шоттки, и p-n-p торцевые транзисторы, в том числе многоколлекторные [4].

В основу технологического процесса изготовления ИС положена планарно-эпитаксиальная технология с изоляцией элементов обратно-смещённым p-n-переходом. При этом изолирующая диффузия бора осуществляется с использованием сильнолегированных p⁺-слоёв (N_s ~ 5·10²⁰ ат./см³) и с сохранением боросиликатного стекла, что, по сравнению с обычно применяемыми режимами (N_s ~ 4·10¹⁸ ат./см³), позволило уменьшить ёмкость изолирующих p-n-переходов примерно в 1,5 раза за счёт уменьшения составляющей, обусловленной ёмкостью боковых стенок [5].

К технологическим особенностям ИС следует также отнести:

• использование процессов ионного легирования сурьмы, бора и фосфора, обеспечивающих высокую воспроизводимость электрофизических параметров слоёв в широком диапазоне концентраций легирующих примесей;
• малые глубины залегания р-n-переходов, составляющие доли мкм, что при соответствующей геометрии элементов ИС и технологическом процессе их изготовления обеспечило величину граничной частоты усиления по току n-р-n-транзисторных структур f_ГР порядка 2 ГГц;
• малые размеры элементов, в наибольшей степени влияющих на быстродействие микросхемы. Минимальный размер эмиттера, в свою очередь, ограничен требованиями по величине сопротивления тела коллектора rК транзисторных структур;
• использование двухуровневой металлизации на основе алюминия, легированного кремнием. В качестве межслойного диэлектрика применена плёнка диоксида кремния SiO2, частично легируемая фосфором.

Основные параметры ИС приведены в таблице.

На рис. 3 приведены экспериментальные и расчётные зависимости усреднённого времени установления выходных сигналов tуст от величины среднего режимного тока IПОТ.ср.реж для микросхемы А 1211А.

Рисунок 3. Зависимость времени установления выходного сигнала t_уст от величины среднего режимного тока

Параметры моделей для расчётов выбирались с учётом электрофизических и топологических характеристик транзисторных структур. Однако, в используемых моделях не учитывались нелинейность емкостей переходов от напряжения, а также процессы накопления носителей при насыщении транзисторов. Правда, последний эффект, по всей видимости, в меньшей степени сказывался на результатах расчётов, так как в разработанных ИС преимущественно использованы транзисторные структуры с диодами Шоттки. В точке, соответствующей максимальному быстродействию, совпадение экспериментального и расчётного результатов достигалось путём подбора времён пролёта неосновных носителей через базу p-n-p-торцевых транзисторов, t_TN, поскольку задержки формирования выходных импульсов в микросхеме в значительной степени определяются передачей сигналов через схемы сдвига уровня, выполненные на их основе. Наиболее близкое к эксперименту значение было получено при t_TN ~ 20 нс. При уменьшении режимного тока ИС расчётные характеристики оказываются лучше экспериментальных примерно на 20%.

Конструктивно микросхемы выполнены в корпусе Н06.24-2b с планарным расположением выводов. Возможна поставка ИС и в бескорпусном исполнении (модификация 4).

Таблица. Основные параметры микросхем А 1211

Литература

1. Шагурин И.И. Транзисторно-транзисторные схемы. М.: Советское радио, 1974.
2. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. С.В. Якубовский, Н.А. Барканов, Б.П. Кудряшов и др.; Под ред. С.В. Якубовского. М.: Сов. радио, 1979. с. 59.
3. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. Пер. с англ. М.: Энергия, 1976. с. 131.
4. Гольдшер А.И. Быстродействующие микросхемы управления приборами с зарядовой связью. Электронная промышленность, 1993. вып. 6-7. С. 57–67.
5. Вопросы изоляции элементов микросхем p-n переходом /А.И. Гольдшер, В.И. Диковский, Г.Д. Колмогоров, И.И. Моин/ Электронная техника. сер. 2. Полупроводниковые приборы, 1974. вып. 7. С. 25–34.