1 María Jesús Martín Martínez : [email protected]TEMA 3. AMPLIFICADORES TEMA 3. AMPLIFICADORES IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/ http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg
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TEMA 3. AMPLIFICADORESocw.usal.es/eduCommons/.../electronica/Tema3_Amplificadores.pdf · Un amplificador establece una relación (generalmente lineal) entre una señal de entrada
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Un Circuito Integrado es un circuito electrónico fabricado completamente sobre la cara superior de una delgada pieza rectangular de semiconductor al que suele denominarse como “chip”.
Un CI contiene un gran número de transistores que realizan varias operaciones:
Es difícil asignar una operación o función a un solo transistor.
Es útil considerar que un CI está formado por subcircuitos (con más de un transistor) que realizan funciones específicas.
INDICE:
Inicialmente, vamos a estudiar las propiedades de los circuitos más sencillos con UN SOLO TRANSISTOR
Después vamos a estudiar como se fabrican los CIs
A continuación, analizaremos el AMPLIFICADOR OPERACIONAL
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.1. INTRODUCCI3.1. INTRODUCCIÓÓNN
Los circuitos electrónicos están diseñados para una operación dinámica (con corrientes y tensiones en alterna):
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.1. INTRODUCCI3.1. INTRODUCCIÓÓNN
Circuito equivalente de pequeña señal:
B
)(tvi
BR CR
πrci
−
+
bev
bi
bF i⋅β
E
C
BR
CR
CCV
BBV
)(tvi
)(tVBE
)(tVCE
)(tIC
)(tIB
BC
E
Para realizar el estudio el transistor o el circuito electrónico se sustituye por un modelo circuital (Modelo equivalente de pequeña señal)
Previamente al estudio en pequeña señal, debe estudiarse siempre la operación estática (con corrientes y tensiones de continua): la polarización de los transistores y la obtención de sus POE.
PARA DISTINGUIR SEÑALES ac y dc convenio:
Señales DC: Símbolo y subíndice en MAYUSCULA
Señales AC: Símbolo y subíndice en minúscula
Valor total de la señal (ac + dc): Símbolo minúscula y subíndice en mayúscula.
BI
bBB iIi +=
bi
Hoy en día los circuitos equivalentes son muy complejos, y requieren de herramientas como SPICE (Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis).
Antes de proceder al estudio de amplificadores concretos, vamos a estudiar con carácter general, lo que entendemos por amplificador y sus diferentes tipos.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.2. AMPLIFICADORES3.2. AMPLIFICADORES
iI iKi =0
Un amplificador establece una relación (generalmente lineal) entre una señal de entrada y una señal de salida.
En la Figura se muestran las 4 configuraciones básicas de amplificadores ideales.
Amplificador de corriente ideal: (a)(Fuente de corriente controlada por corriente).
La condición de transferencia es
(siendo KI la ganancia en corriente del amplificador)
Ejemplo BJT
Amplificador de transresistencia ideal (b)(Fuente de tensión controlada por corriente).
Un Circuito Integrado es un circuito electrónico fabricado completamente sobre la cara superior de una delgada pieza rectangular de semiconductor al que suele denominarse como “chip”.
La fabricación de un CI completo lleva consigo una secuenciade muchas etapas (entre 3 y 20) de procesos tecnológicos:
Crecimiento del lingote Oxidación Difusión y/o implantación de impurezas Litografía Metalización
Todos estos pasos se realizan simultáneamente para un gran número (cientos o miles) de circuitos en la misma oblea de semiconductor.
Posteriormente cada circuito se somete a una prueba automática de test en la que se examinan de forma individual los circuitos Se desechan los defectuosos o los que no cumplen las especificaciones Los que cumplen las características Encapsulado
Los diseños son creados en las capas de Si02 utilizando una técnica de impresión denominada “fotolitografía”.
Una capa fina de polímero sensible a la iluminación (llamado resina) se aplica sobre el Si02.
Se proyecta luz ultravioleta a través de una mascara de cristal tan fina que se proyecta la imagen de la máscara sobre la resina.
La resina que no ha sido expuesta a la luz se puede lavar mediante disolventes. También se elimina el Si02 protector mediante diferentes técnicas de grabadopara prepararlo para el siguiente paso en el proceso.
Grabado y litografía
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fotografía SEM de una matriz de líneas de metalización (rosas, verdes blancas y amarillas ) que realizan las interconexiones en una memoria RAM (varias celdas de memoria). El óxido aislante ha sido retirado. Gris (bajo metalizaciones es el Si).(Cortesia de IBM)
Metalizaciones: Autopistas minúsculas Finalmente, se añaden las delgadas capas metálicas y de polisilicio
(interconexiones entre los transistores individuales y entre otros dispositivos). Algunos chips contienen más de seis capas de cables de interconexión uniendo mas de 4 millones de circuitos.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
En cada uno de los pasos del proceso, las obleas son minuciosamente examinadas con un equipo diseñado especialmente y controlado por ordenador, algunas de las medidas tienen lugar a escala atómica.
Cuando se completa el proceso de metalización, todos los chips de la oblea son de nuevo analizados.
Pruebas de test
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Los chips que pasan los rigurosos test eléctricos son entonces cortados de la oblea mediante sierras especiales de diamante y montados en empaquetadosmetálicos o plásticos especiales denominados “módulos”. Estos módulos son de nuevo comprobados.
Materiales del substrato. Montaje del chip sobre la estructura: leadframe Conexiones eléctricas. Tipos de empaquetado. Circuitos híbridos y placas de circuitos impresos.
Montaje y empaquetado
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
3. Crecimiento de una capa nativa de Si02 para la posterior aplicación de máscaras litográficas (para la realización del dopaje de la región p en una zona selectiva del material)
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
4. Se aplica sobre la superficie del óxido un material denominado “resina”. Su aplicación servirá para aplicar un proceso fotolitográfico en el que se abrirá una “ventana” en el
semiconductor a través de la cuál se realizará la posterior difusión de la región p. Seguidamente, tiene lugar un calentamiento de la oblea de modo que la resina se solidifica.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
7. A través de la ventana abierta mediante el proceso fotolitográfico tiene lugar la difusión o la implantación iónica de impurezas (para realizar el dopaje) de boro (impureza tipo p para el Silicio). De este modo se forma la región p de la unión p-n.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
9. Se realiza un nuevo paso fotolitográfico (no se muestra) utilizando de nuevo una resina para modificar la forma del aluminio y obtener la forma de la metalización final.
Finalmente se lleva a cabo la pasivación de la superficie que proporciona protección mecánica y eléctrica.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Viene en una gran variedad de empaquetados, la mas usual es la de 8 pins duales en línea: Pin nº 4: - Vcc = -10 Voltios y Pin nº 7 + Vcc = +10 V de alimentación continua
Este circuito es idéntico al Amplificador Inversor en el que la resistencia R2 ha sido sustituida por un condensador
Podemos plantear
Teniendo en cuenta que en un condensador la corriente que lo atraviesa y la diferencia de potencial entre sus terminales cumplen:
Obtenemos, para este caso concreto:
Igualando
iR
vi =− 0
CdtvCR
v i +−= ∫1
0
La señal a la salida, a la salida, vvvv0000, es la integral de la entrada , es la integral de la entrada vvvviiii y y ademademáás ests estáá invertida (signo invertida (signo -- ))
La señal a la salida, a la salida, vvvv0000, es la derivada de la entrada , es la derivada de la entrada vvvviiii y y ademademáás ests estáá invertida (signo invertida (signo -- ))
Agradecimientos Daniel Pardo Collantes. Departamento de Física Aplicada. Universidad de Salamanca.
Figuras cortesía de: Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., Elementos de Electrónica. Universidad de
Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio Editorial.1999. E. Mandado, P. Mariño y A. Lago, Instrumentación Electrónica. Marcombo. 1995. Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith. Copyright 2004 by Oxford University
Press, Inc.
J. Turner, M. Hill. “Instrumentation for Engineers and Scientists”. Oxford UniversityPress.1999.
http://www.semiconductor-technology.com/projects/philips/images/image_3.jpg http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg http://www.plyojump.com/classes/images/hardware/wafer_dicing.jpg http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/int/sist_digit/image020.jpg http://www.nist.gov/public_affairs/images/ChipScaleClock2_HR.jpg Paul, D. J. (1999), Silicon-Germanium Strained Layer Materials in Microelectronics.