Основы аналоговых интегральных схем: концепции, компоненты и практические применения

Аналоговые схемы обрабатывают сигналы, которые непрерывно изменяются между нулем и напряжением питания, в отличие от цифровых схем, использующих дискретные уровни напряжения — обычно 0 В или полное напряжение питания. Хотя такие схемы часто называют линейными, этот термин может вводить в заблуждение: выход схемы не обязательно является линейной функцией от входа, даже если сами сигналы непрерывны.

В этой главе мы рассматриваем различие между истинно линейным поведением и нелинейными характеристиками, возникающими из-за физических ограничений устройств или намеренных конструкторских решений. Многие кажущиеся линейными схемы — например, содержащие диоды или транзисторы в их активных областях — проявляют нелинейности, которые необходимо понимать для надежного проектирования.

Интегральные схемы (ИС) составляют основу современного аналогового проектирования. Эти компактные устройства объединяют множество транзисторов, резисторов и конденсаторов на одном кремниевом пластине, обеспечивая высокую надежность и экономию по сравнению с дискретными сборками. Огромный выбор готовых ИС — от точных опорных источников напряжения до сложных аналоговых сигнальных процессоров — делает их незаменимыми для студентов, любителей и профессиональных инженеров.

Реализации на дискретных компонентах всё ещё имеют своё место, особенно когда рассеиваемая мощность превышает возможности типичных корпусов ИС. Однако для большинства аналоговых приложений ИС обеспечивают необходимую производительность при долю стоимости и занимаемой площади.

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) — основной элемент аналогового проектирования. Построенный как высокоусиливающий дифференциальный усилитель, ОУ может эмулировать широкий спектр функций — повторители напряжения, суммирующие усилители, интеграторы, дифференциаторы — с помощью внешних цепей отрицательной обратной связи. Популярные недорогие ОУ, такие как LM741, TL072 и ADA4528, широко используются в учебных и прототипных схемах, и их характеристики хорошо документированы в даташитах производителей, таких как Texas Instruments и NXP Semiconductors.

Применяя отрицательную обратную связь от выхода к одному или нескольким входам, конструкторы могут линеаризовать ответ ОУ, контролировать полосу пропускания и формировать частотную характеристику, раскрывая его универсальность для сигнальной обработки, фильтрации и активных каскадов.