Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19820714Elc025.shtml

Интегральная схема телефонного звонка, выполненная по биполярной и МОП-технологии

УДК 621.3.049

Майкл Рисе (Michael Riess)
Фирма Texas Instruments Inc. (Даллас, шт.Техас)

Michael Riess. Bell-ringer IC unites C-MOS, bipolar circuits, pp.147—150.

Схема телефонного звонка, выполненная по К/МОП- и биполярной технологии, обеспечивает защиту от перенапряжений, возникающих при грозовых разрядах, и выдает сигнал мощностью 200 мВт для раскачки акустического преобразователя или громкоговорителя.

Даже столь простая телефонная схема, как телефонный звонок, содержит достаточное число элементов для того, чтобы их интеграция на одном кристалле была сложной задачей. Задача эта решается в интегральных схемах серии ТСМ 1500 путем использования процесса: изготовления биполярных полевых транзисторов с двойной диффузией (Bidfet), позволяющего объединить на одной интегральной схеме маломощную К/МОП-логику и высоковольтные биполярные двухтактные усилители.

Интегральные схемы звонка — важное оружие в борьбе за создание более компактного полупроводникового телефонного аппарата, поскольку они заменяют громоздкие электромеханические телефонные звонки. Интегральная схема площадью 11 мм2, выполненная по технологии Bidfet (рис.1), обеспечивает подачу вызывного сигнала на небольшой дешевый преобразователь. Ее двухтактные выходные усилители могут выдавать сигнал до 80 В в конфигурации с двумя выходами. Два встроенных стабилизатора напряжения питают напряжением 40 В усилители и напряжением 10 В К/МОП-логику тонального генератора.

Устройство вызова. Интегральная схема звонка для телефона изготавливается по комбинированной К/МОП — биполярной технологии посредством процесса Bidfet
Рис.1. Устройство вызова. Интегральная схема звонка для телефона изготавливается по комбинированной К/МОП — биполярной технологии посредством процесса Bidfet. Имеется несколько моделей; представленная здесь содержит диодный мостиковый выпрямитель и имеет балансный выход на преобразователь.

Схемы серии 1500 позволяют решить многие задачи, стоящие перед конструкторами схем телефонного аппарата, такие, например, как защита от перенапряжений, возникающих при разряде молнии. Разрешаются также два основных затруднения, которые встречаются при работе звонков: ложное срабатывание и недостаточная мощность в случае, когда на параллельном аппарате снята трубка. Схемы также отвечают длинному перечню требований, выполнение которых обязательно для обеспечения совместимости с телефонной сетью.

Проектировщикам довольно долго не удавалось разработать монолитную интегральную схему, отвечающую столь многочисленным требованиям. Имеющиеся на рынке в небольшом количестве биполярные и К/МОП-схемы для удовлетворительной работы требуют использования многих периферийных компенсирующих компонентов. Для работы же схем серии 1500 нужно лишь четыре внешних компонента в противоположность в среднем десяти компонентам, необходимым для прежних ИС телефонного звонка, причем схемы серии 1500 выдают на звонок сигналы мощностью 200 мВт, т.е. почти вдвое больше, чем прежние ИС.

Для надежного объединения прецизионных схем управления, логических К/МОП-схем с «самоизоляцией» и высоковольтных схем сопряжения на монолитном кристалле с изолирующим переходом конструкторы используют компоненты с высокими напряжениями пробоя. Такое объединение становится возможным при использовании процесса Bidfet, хотя он и требует 16 операций маскирования, в то время как обычная К/МОП-схема требует шесть или семь операций.

Повышение выхода годных

Как и следовало ожидать, такой сложный процесс изготовления отразился в низком выходе годных схем на ранних стадиях разработки. Схемы Bidfet, разработанные пять лет назад, имели необычно высокую суммарную интенсивность отказов, непосредственно объясняемую большим числом уровней маскирования. После двух лет разработки, однако, в результате усовершенствования топологических норм, методов герметизации и техники управления процессом удалось снизить интенсивность отказов до уровня менее 3% за 500 ч испытаний (рис.2). При использовании этого усовершенствованного процесса Bidfet-схемы звонка серии 1500 дали 31 отказ на 109 приборочасов (FIT) при температуре 125°С с напряжением 12 В в течение 1000 ч. Ускоренные испытания на срок службы при 152°С и при 12 В в течение 672 ч дали величину 26 FIT.

Кривая освоения. За двухлетний период разработки в 1977 и 1978 годах интегральные схемы Bidfet в пластмассовых корпусах с 40 выводами показали десятик
Рис.2. Кривая освоения. За двухлетний период разработки в 1977 и 1978 годах интегральные схемы Bidfet в пластмассовых корпусах с 40 выводами показали десятикратное снижение интенсивности отказов. Основные усовершенствования коснулись упаковки и точности реализации схемы.

Выпускаемые теперь с высоким выходом годных звонки Bidfet готовы к выполнению самых жестких требований, предъявляемых к интегральным схемам телефонного аппарата. Например, стандарт RS-470 Ассоциации электронной промышленности указывает, что элементы телефонного аппарата должны выдерживать напряжения грозовых разрядов величиной 1,5 кВ в течение как минимум 170 мкс без повреждения телефонного аппарата. Такого уровня изоляции тяжело добиться при использовании стандартных низковольтных ИС, особенно если не должны страдать их другие параметры. Многократные операции диффузии процесса Bidfet позволяют встроить тиристор, который действует как низкопороговый элемент защиты.

Этот тиристор защищает схемы телефонного аппарата, закорачивая вход, когда ток более 70 мА начинает протекать через цепь, состоящую из стабилитрона на 70 В в составе ИС и двух внешних деталей: конденсатора емкостью 0,47 мкФ и резистора 2,2 кОм. Порог срабатывания в 70 В на 40 В выше, чем обеспечивается некоторыми биполярными микросхемами звонка.

Защита от внешних воздействий типа грозовых разрядов — лишь небольшая часть задач, которые должна решать интегральная схема звонка. Две основные трудности проистекают из работы телефонной сети: это ложное срабатывание и отток мощности на параллельные аппараты. Для разрешения их микросхемы серии 1500 комбинируют с внешним конденсатором.

Ложное срабатывание звонка телефонного аппарата, трубка которого повешена из-за наведенных на линии посторонних импульсов, обычно вызывается набором номера на параллельном аппарате. В схеме звонка, чувствительной к широкому диапазону сигналов, ложное срабатывание может оказаться трудноразрешимой задачей. ИС серии 1500 как раз и являются такими схемами: они классифицируются по стандарту Ассоциации электронной промышленности как вызывные схемы типа В, т.е. срабатывают от всех возможных принятых для использования сигна лов вызова, выдаваемых телефонными станциями. Эти схемы будут срабатывать от сигнала вызова, имеющего частоту от 15,3 до 68 Гц и амплитуду от 40 до 150 В, меняющуюся в зависимости от длины абонентской линии.

В электронном звонке, где для фильтрации нежелательных импульсов используются исключительно внешние элементы, всегда приходится решать проблему неэффективного подключения к линии, с одной стороны, и ложных срабатываний, с другой. В схемах 1500 эта проблема решается сочетанием внутреннего резистора 11 кОм с внешним конденсатором фильтра емкостью 10 мкФ (рис.3,а). Резистор и конденсатор образуют RC-схему с постоянной времени, достаточно большой для подавления коротких импульсов напряжения. Сигнал вызова должен иметь достаточную амплитуду и длительность с тем, чтобы достичь порога в 11,5 В, создаваемого на конденсаторе. Схема защиты может подавлять импульсы длительностью 2 мс и амплитудой 800 В, повторяющиеся каждые 50 мс, и импульсы длительностью 10 мс и амплитудой 200 В, повторяющиеся каждые 60 мс, что соответствует требованиям стандарта Ассоциации электронной промышленности или даже превосходит их.

Сопротивление в неактивном состоянии. При реализации процесса Bidfet (а) стабилитрон на 6,8 В и конденсатор 10 мкФ обеспечивают высокое входное сопрот
Сопротивление в неактивном состоянии. При реализации процесса Bidfet (а) стабилитрон на 6,8 В и конденсатор 10 мкФ обеспечивают высокое входное сопрот
Рис.3. Сопротивление в неактивном состоянии. При реализации процесса Bidfet (а) стабилитрон на 6,8 В и конденсатор 10 мкФ обеспечивают высокое входное сопротивление. В обычных схемах (б) используются внешний стабилитрон на 12 В и внешний конденсатор, причем приходится идти на компромисс между сопротивлением и получаемой мощностью.

Затухание сигнала при повешенной трубке создается недостаточным входным сопротивлением. Если аппарат не имеет достаточно высокого входного сопротивления, когда он находится в режиме ожидания вызова (трубка повешена), то он будет чрезмерно нагружать линию, ослабляя речевой или многочастотный вызывной сигнал тастатурного набора в параллельных аппаратах со снятыми трубками.

Таким образом, когда звонок находится в неактивном состоянии, требуется высокое сопротивление при повешенной трубке в полосе частот между 0,7 и 1,6 кГц. Это требование в схемах серии 1500 выполняется при помощи входящего в состав ИС стабилитрона на 6,8 В, который вместе с резистором 11 кОм и внешним конденсатором фильтра одновременно образует схему для защиты от ложных срабатываний. Диод и резистор изолируют конденсатор, создавая практически бесконечное сопротивление до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение срабатывания стабилитрона.

В других интегральных схемах звонка для обеспечения высокого входного сопротивления в неактивном состоянии используются внешние стабилитроны. Но при таком решении снижается мощность получаемого от линии вызывного сигнала. Кроме того, обычные К/МОП-схемы звонка имеют пониженное входное сопротивление из-за того, что параллельно входам звонка приходится подключать внешний конденсатор (рис.3,б).

При измерении сигналом с амплитудой 3 В эфф., как предусмотрено стандартом Ассоциации электронной промышленности RS-470, телефон со схемой звонка серии 1500 имеет в неактивном состоянии значительно большее входное сопротивление, чем телефон со схемой звонка других изготовителей (рис.4). Величина сопротивления превышает 100 кОм (схемы других изготовителей имеют 2,2 кОм). При столь высоком входном сопротивлении можно параллельно включать много аппаратов, не создавая мешающего воздействия между ними.

Сопротивление в полосе тональных частот. При измерении сигналом 3 В эфф., как предписывается требованиями АЭП, схемы серии 1500 имели сопротивление в
Рис.4. Сопротивление в полосе тональных частот. При измерении сигналом 3 В эфф., как предписывается требованиями АЭП, схемы серии 1500 имели сопротивление в неактивном состоянии выше 100 кОм, в то время как схемы звонков других изготовителей дают 2,2 кОм. Приведенные результаты относятся к аппаратам с повешенной трубкой.

Частота и амплитуда напряжения сигнала вызова также определяют время срабатывания звонка. Сигналы высокого уровня и высокой частоты быстрее активизируют звонок, чем сигналы меньшего напряжения и меньшей частоты. Подстройкой внешнего конденсатора 10 мкФ можно подогнать ИС серии 1500 под любое значение используемой частоты и амплитуды, с тем чтобы добиться времени срабатывания 100 мс, рекомендованного Ассоциацией электронной промышленности. К уменьшению емкости конденсатора надо подходить осторожно, поскольку это может снизить защищенность от ложных срабатываний, т.е. то, для чего и поставлен этот конденсатор. К счастью, в схемах серии 1500 номинал конденсатора может быть уменьшен с 10 до 5 мкФ без понижения защищенности от ложных срабатываний.

Помимо выполнения таких требований интегральные схемы в телефонных аппаратах должны работать при различной длине линий от станции до абонента. Они должны также быть в состоянии рассеивать мощность величиной до 1 Вт в случае коротких абонентских шлейфов и работать без сбоев при поступлении с линии мощности всего 49 мВт в случае длинных линий. Схема звонка рассчитана на функционирование при напряжениях от 150 В эфф. при коротких линиях и до 40 В эфф. при длинных (на частоте 20 Гц).

Разделение мощности

Высокая отдаваемая мощность в сочетании с высокоомными входами обусловливают наличие у схем 1500 очень малого показателя эквивалентности звонка (REN), являющегося мерой сопротивления схемы в активном состоянии. Чем меньше показатель эквивалентности, тем больше аппаратов можно подключить в параллель к одной линии. (Федеральная комиссия связи в своих нормативных документах требует, чтобы любой подключающийся к телефонной сети абонент указывал показатель эквивалентности звонка своего аппарата.)

Схемы серии 1500 могут иметь показатель REN всего 0,5 и при этом выдавать до 200 мВт в пьезоэлектрическую нагрузку. Для сравнения укажем, что К/МОП-схемы звонка при показателе эквивалентности 0,5 могут отдавать только 50 мВт, а биполярные при показателе 1,0 — только 115 мВт.

Схемы серии 1500 выпускаются в пяти конфигурациях, различающихся в основном характеристиками стыка (см. таблицу). Для изготовителей телефонных аппаратов особый интерес представляет то, что каждая интегральная схема может питать либо громкоговоритель — при наличии соответствующих схем согласования сопротивления — либо недорогой пьезоэлектрический преобразователь. Подходит пьезосопротив-ление 5,6 кОм, а тон и громкость можно менять посредством резистора, включаемого последовательно.

Интегральные схемы звонка серии 1500

Номер схемы

Выходной выпрямитель

Выход и частота

ТСМ1501

Диодный мост

Несимметричный, 2 кГц

ТСМ1504

Диодный мост

Симметричный, 2 кГц

ТСМ1505

Однополупериодный удвоитель напряжения

Несимметричный, 2 кГц

ТСМ1506

Диодный мост

Несимметричный, 500 Гц

ТСМ1512

Диодный мост

Несимметричный, 1 кГц

При изменении величины этого последовательного сопротивления меняется частота тональных сигналов на двух выходах схемы, а также частота, с которой они прерываются. Тональные сигналы достаточно близки по частоте для того, чтобы имитировать два звонка в электромеханическом вызывном устройстве.

Внутренний генератор интегральной схемы, управляемый резистором, может иметь уход частоты, зависящий от изменений входного напряжения и рабочей температуры. Однако стабилизаторы, входящие в состав ИС, как правило, удерживают эти изменения в пределах 1,5%, что позволяет при использовании недорогих серийных резисторов и пьезоэлектрических элементов получить дешевую схему звонка с меняющимися тональными сигналами на выходе. Таким образом, изготовители могут при небольших затратах подогнать телефонные аппараты под вкус клиентов.

Простота стыковки

Стыковка входов схем серии 1500 упрощается благодаря тому, что каждый электромеханический телефон содержит конденсатор 0,47 мкФ. Подгонкой этого конденсатора и внешнего входного резистора можно менять входное пороговое напряжение в соответствии с конкретными условиями применения.

Этими двумя компонентами можно также изменять мощность, отдаваемую в нагрузку. Эта мощность является функцией входного сопротивления со стороны линии и полного сопротивления интегральной схемы. Естественно, чем лучше согласование названных сопротивлений, тем лучше передача мощности.

Хотя схемы серии 1500 предназначаются в первую очередь для телефонных аппаратов, они могут найти и другие применения. Одно из них — система аварийной сигнализации, где важна надежность звонка. Трансформатор на 16 В, питаемый от настенной розетки сети переменного тока (схема 1505), подключается к громкоговорителю, сирене, пьезоэлектрическому элементу или другому устройству тревожной сигнализации для любой двери или окна. Поскольку достаточно будет столь малого тока питания, как 10 мА, трансформатор тревожной сигнализации будет небольшим и недорогим.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 55, No.14 (644), 1982г - пер. с англ. М.: Мир, 1982, стр.40

Electronics Vol.55 No.14 July 14, 1982 A McGraw-Hill Publication

Michael Riess. Bell-ringer IC unites C-MOS, bipolar circuits, pp.147—150.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Интегральная электроника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19820714Elc025.shtml