Аналоговая микросхема

Аналоговая микросхема — это электронное устройство, выполненное в виде полупроводниковой интегральной схемы, предназначенное для обработки сигналов, изменяющихся непрерывно во времени (аналоговых сигналов). В отличие от цифровых микросхем, которые оперируют дискретными уровнями напряжения (логическими нулями и единицами), аналоговые микросхемы работают с непрерывным диапазоном значений напряжения или тока, усиливая, фильтруя, модулируя, демодулируя или преобразуя их. Ключевыми параметрами аналоговых микросхем являются коэффициент усиления, полоса пропускания, уровень шумов, нелинейные искажения и динамический диапазон.

История

Развитие аналоговых микросхем началось вскоре после изобретения интегральной схемы. Первые коммерческие операционные усилители (ОУ) на интегральных схемах появились в середине 1960-х годов. В 1963 году компания Fairchild Semiconductor выпустила микросхему µA702, а в 1968 году — знаменитый µA741, который стал одним из самых массовых и долгоживущих аналоговых компонентов. В СССР и России аналоговые микросхемы разрабатывались с 1960-х годов, например, серия 140 (операционные усилители), 153 (компараторы) и 544 (прецизионные усилители). В 1970-х годах появились первые интегральные стабилизаторы напряжения (например, LM317), а в 1980-х — специализированные микросхемы для аудио- и видеоаппаратуры, а также для измерительной техники. С развитием технологий в 1990-х годах аналоговые микросхемы стали интегрироваться с цифровыми в смешанные (mixed-signal) схемы, что позволило создавать системы на кристалле (SoC) для обработки сигналов в реальном времени.

Классификация

Аналоговые микросхемы классифицируются по функциональному назначению:

Операционные усилители

Операционные усилители (ОУ) — это высокоточные дифференциальные усилители с большим коэффициентом усиления (обычно 10⁵–10⁶) и широкой полосой пропускания. Они используются в схемах усиления, фильтрации, суммирования, интегрирования, дифференцирования и преобразования сигналов. Примеры: LM741, NE5532, OPA627.

Компараторы

Компараторы сравнивают два входных напряжения и выдают на выходе логический сигнал (высокий или низкий уровень) в зависимости от того, какое из них больше. Применяются в схемах аналого-цифрового преобразования, детекторах уровня, генераторах импульсов. Примеры: LM311, LM393, MAX902.

Стабилизаторы напряжения

Интегральные стабилизаторы напряжения поддерживают постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения и тока нагрузки. Делятся на линейные (например, LM7805, LM317) и импульсные (например, LM2596, LT1083). Линейные стабилизаторы обеспечивают низкий уровень шумов, но имеют низкий КПД при большом перепаде напряжений.

Усилители мощности

Микросхемы усилителей мощности предназначены для усиления аналоговых сигналов до уровня, достаточного для управления нагрузками, такими как динамики, двигатели или реле. Примеры: TDA7294, LM3886, TPA3116.

Мультиплексоры и аналоговые ключи

Аналоговые мультиплексоры позволяют подключать один из нескольких аналоговых сигналов к общему выходу, а аналоговые ключи — коммутировать аналоговые сигналы. Примеры: CD4051, ADG408, MAX4617.

Преобразователи сигналов

К этой категории относятся микросхемы, преобразующие один вид аналогового сигнала в другой, например, умножители (AD633), модуляторы (например, для амплитудной модуляции), демодуляторы, фазовые детекторы, а также микросхемы для обработки видео (например, усилители-формирователи).

Специализированные микросхемы

Существуют микросхемы, предназначенные для конкретных применений: аудиоусилители (например, для Hi-Fi-аппаратуры), видеоусилители, микросхемы для радиоприёмных трактов (смесители, гетеродины, усилители промежуточной частоты), микросхемы для измерительной техники (прецизионные усилители, инструментальные усилители).

Устройство и характеристики

Аналоговая микросхема состоит из множества транзисторов (биполярных или полевых), резисторов, конденсаторов и, в некоторых случаях, катушек индуктивности, объединённых на одном кристалле полупроводника (кремния, арсенида галлия). Основные характеристики, определяющие качество аналоговой микросхемы:

• Коэффициент усиления — отношение выходного сигнала к входному (по напряжению, току или мощности).
• Полоса пропускания — диапазон частот, в котором коэффициент усиления снижается не более чем на 3 дБ.
• Уровень собственных шумов — паразитные колебания, генерируемые самой микросхемой, измеряемые в нВ/√Гц или мкВ.
• Нелинейные искажения — отклонение формы выходного сигнала от идеальной (обычно выражается в процентах или дБ).
• Динамический диапазон — отношение максимального уровня сигнала к уровню шумов.
• Скорость нарастания выходного напряжения — максимальная скорость изменения выходного напряжения (В/мкс).
• Напряжение смещения — разность напряжений на входах, необходимая для получения нулевого выходного сигнала.

Применение

Аналоговые микросхемы широко применяются в различных областях электроники:

• Аудиотехника: усилители звука, предусилители, эквалайзеры, микшеры, аудиопроцессоры.
• Видеотехника: усилители видеосигналов, видеомультиплексоры, корректоры, видеокоммутаторы.
• Радиотехника и связь: усилители высокой частоты, смесители, гетеродины, модуляторы, демодуляторы, фильтры.
• Измерительная техника: прецизионные усилители для датчиков, инструментальные усилители, аналоговые компараторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
• Автоматика и управление: датчики, регуляторы, стабилизаторы напряжения, аналоговые регуляторы температуры, давления, скорости.
• Медицинская техника: усилители биопотенциалов (ЭКГ, ЭЭГ), усилители для ультразвуковых датчиков, прецизионные усилители для анализаторов крови.
• Автомобильная электроника: усилители звука, стабилизаторы напряжения, датчики (давления, температуры, скорости), аналоговые компараторы для систем управления двигателем.
• Промышленная электроника: аналоговые регуляторы, преобразователи сигналов, усилители для измерительных мостов.

Примеры

• LM741 — классический операционный усилитель, выпускается с 1968 года, широко используется в учебных и любительских схемах.
• NE5532 — низкошумящий операционный усилитель, применяется в аудиотехнике.
• LM7805 — линейный стабилизатор напряжения на +5 В, ток до 1,5 А.
• LM317 — регулируемый линейный стабилизатор напряжения.
• TDA7294 — усилитель мощности звуковой частоты (до 100 Вт).
• CD4051 — 8-канальный аналоговый мультиплексор/демультиплексор.
• AD620 — инструментальный усилитель с низким уровнем шумов.
• LM393 — сдвоенный компаратор.

Интересные факты

• Первая интегральная аналоговая микросхема, операционный усилитель µA702, содержала всего 9 транзисторов и 12 резисторов, тогда как современные аналоговые микросхемы могут содержать тысячи и миллионы транзисторов.
• В России и СССР разработка аналоговых микросхем велась в таких организациях, как НИИ «Пульсар», НИИ «Микрон», НИИ «Электронприбор» и других. Например, микросхема К140УД1 (аналог µA741) выпускалась с 1970-х годов.
• Аналоговые микросхемы до сих пор остаются незаменимыми в высокочастотных и прецизионных применениях, где цифровая обработка сигналов либо невозможна, либо неэффективна из-за ограничений по частоте, шумам или энергопотреблению.
• В некоторых аналоговых микросхемах используются технологии лазерной подстройки (лазерного тримминга) для достижения высокой точности параметров.

Критика и ограничения

Аналоговые микросхемы имеют ряд недостатков по сравнению с цифровыми: они менее помехоустойчивы, более чувствительны к температуре и старению, имеют меньшую плотность интеграции (меньше компонентов на кристалл) и, как правило, более высокую стоимость производства. Кроме того, аналоговые схемы сложнее проектировать и тестировать, чем цифровые, так как они требуют учёта множества паразитных параметров (ёмкостей, индуктивностей, сопротивлений). Однако в ряде задач (например, обработка сигналов с датчиков, радиоприём, высокоточные измерения) аналоговые микросхемы остаются безальтернативными.

Источники

• Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника». — М.: Мир, 1982.
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». — М.: Мир, 2003.
• ГОСТ 2.730-73 «Обозначения условные графические в схемах. Микросхемы интегральные».
• Справочник «Интегральные микросхемы: аналоговые и аналого-цифровые». — М.: Радио и связь, 1990.
• Документация производителей: Texas Instruments, Analog Devices, Maxim Integrated.