автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Архитектура и схемотехника аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией импедансов

на правах ртсдошси

КОВБАСКЖ Николай Васильевич

□□3476923

АРХИТЕКТУРА И СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ С СОБСТВЕННОЙ И ВЗАИМНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ИМПЕДАНСОВ

Специальность:

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 СЕ:12009

ШАХТЫ 2009

003476923

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (г. Шахты) на кафедре «Информационные системы и радиотехника» и Проблемной лаборатории перспективных технологий и процессов ЦИПБ РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук,

профессор

Прокопенко Николай Николаевич

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук,

профессор

Лачин Вячеслав Иванович

кандидат технических наук, доцент

Горячев Александр Вадимович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Федеральное государственное

унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры «Прогресс» (г. Москва)

Защита состоится «9» октября 2009 г. в 1420 часов на заседании специализированного совета Д-212.208.21 по защите диссертаций при Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге (аудитория Д-406) по адресу: пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А, г. Таганрог, Ростовская область, 347928.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского технологического института Южного федерального университета.

Автореферат разослан «4» сентября 2009 г.

\

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Н.И. Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Показатели уровня качества достаточно широкого класса устройств автоматики, приборостроения и связи существенно зависят от динамических параметров их базовых функциональных аналоговых узлов - операционных усилителей, широкополосных усилителей переменного тока, НЧ-усилителей мощности и драйверов линий связи, видеоусилителей и т.д. Совершенствованию микросхем данного класса уделяется большое внимание фирмами Maxim, Analog Devices, Philips, Harris, Texas Instruments и др., которые в настоящее время доминируют в России на рынке микроэлектронных изделий.

Внедрение дорогостоящей субмикронной технологии ведущими западными фирмами показало, что, в отличие от цифровых микросхем, где ужесточение технологических норм привело к существенному повышению производительности при практически неизменной потребляемой мощности, в аналоговых интегральных схемах этого результата достигнуть не удалось.

Обеспечить относительную независимость отечественных систем управления и технической диагностики изделий путем выпуска необходимой номенклатуры аналоговых микросхем можно и на уровне микронной технологии, которая имеет невысокую стоимость изделий и в настоящее время поддерживается рядом отечественных предприятий. Указанную проблему в ряде случаев удается решить путем создания нового поколения принципиальных схем, обеспечивающих уменьшение степени влияния паразитных параметров активных компонентов и нелинейных режимов их работы на результирующие динамические характеристики и параметры. Актуальна эта задача и для новейших SiGe технологических процессов.

В этой связи исследования, направленные на разработку экономичных (с точки зрения энергопотребления) схемотехнических методов улучшения динамических параметров различных операционных преобразователей аналоговых сигналов по традиционным и новым технологиям, следует отнести к числу актуальных, имеющих большое значение для разработки аналоговых интерфейсов устройств автоматики и вычислительной техники нового поколения. 1

Теоретической основой этого направления являются результаты, полученные в работах С.Г. Крутчинского. Они позволяют создать принципиальные схемы с собственной и взаимной компенсацией влияния паразитных параметров полупроводниковых компонентов на характеристики и параметры аналоговых устройств: коэффициент усиления по напряжению, входное сопротивление, верхнюю граничную частоту, э.д.с. смещения нуля, входные токи и т.п.

Степень разработанности темы. Основы собственной и взаимной компенсации в аналоговых электронных схемах разрабатывались в трудах д.т.н., проф. С.Г. Крутчинского, прикладные вопросы применительно к построению широкополосных аналоговых и аналогово-цифровых устройств рассматривались в исследованиях научной школы д.т.н., проф. В.И. Анисимова (СПбЭТУ), д.т.н., проф. H.H. Прокопенко (ЮРГУЭС), а также зарубежных специалистов - О .В. Дворникова (НПО «Интеграл», Белоруссия) и др.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов построения аналоговых микросхем нового поколения с использованием эффектов собственной и взаимной компенсаций влияния паразитных импедансов активных компонентов, обеспечивающих повышение верхней граничной частоты, коэффициента усиления по напряжению, входного сопротивления и других параметров.

Основные задачи исследования.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих частных задач:

1. Обосновать архитектурные решения и способы минимизации влияния на динамические параметры микросхем доминирующих паразитных параметров активных многополюсников в основных функциональных узлах аналоговых микросхем различного назначения.

2. Разработать схемотехнические приемы собственной и взаимной компенсаций паразитных импедансов, отрицательно влияющих на верхнюю граничную частоту, коэффициент усиления по напряжению, входное сопротивление и другие параметры функциональных узлов аналоговых микросхем, и оценить их эффективность.

3. Разработать практические методы компенсации влияния паразитных параметров активных многополюсников и исследовать свойства каскадов этого класса, определить их возможности и ограничения технологического характера, обеспечивающие параметрический синтез аналоговых микросхем нового поколения.

Методы исследования. В работе использованы методы сигнальных графов, операторный метод анализа передаточных характеристик цепей, классические методы теории цепей. Экспериментальные исследования выполнены на ЭВМ с применением программ моделирования электронных схем в средах PSpice, Cadence и адекватных моделей компонентов ведущих фирм России (ФГУП НПП «Пульсар»), Белоруссии (НПО «Интеграл») и Германии (IHP).

Положения, выносимые на защиту:

1. Способы параллельно-балансной, мостовой и многоканальной компенсации паразитных импедансов, позволяющие синтезировать принципиальные схемы аналоговых устройств различного функционального назначения с расширенным частотным диапазоном.

2. Архитектура и схемотехника функциональных узлов аналоговых микросхем, обеспечивающие повышение на 1-2 порядка их коэффициента усиления по напряжению и входного сопротивления за счет использования методов собственной и взаимной компенсаций импедансов.

3. Способы построения составных транзисторных многополюсников аналоговых микросхем с компенсацией импеданса коллекторного перехода входного и выходного транзисторов.

Научная новизна работы определяется следующими теоретическими результатами:

1. Способы построения двухкаскадных дифференциальных усилителей, обладающих повышенным коэффициентом усиления по напряжению за счет эффекта компенсации проводимости нагрузки.

2. Схемно-топологические способы компенсации паразитных емкостей активных компонентов, способствующие расширению малосигнальной полосы пропускания в 5-6 раз для микронных технологий ФГУП НПП «Пульсар» ив 1,6 раз для SiGe технологий института IHP (Германия), внедряемых в России.

3. Архитектура дифференциальных усилителей, в которых применен способ взаимной компенсации выходных проводимостей применяемых токовых зеркал, повышающей предельный коэффициент усиления по напряжению на 15+30 дБ.

4. Базовая схемотехника функциональных узлов аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией паразитных параметров транзисторов, ориентированных на микроэлектронное исполнение с использованием отечественных технологических норм.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что результаты проведенных исследований используются при проектировании аналоговых узлов устройств автоматики, вычислительной техники и систем управления.

Разработанные и теоретически обоснованные архитектурные решения и способы компенсации паразитных импедансов активных многополюсников могут стать основой для разработки аналоговых микросхем нового поколения с более высокими качественными показателями (5-^100 раз) по частотному диапазону, коэффициенту усиления, энергопотреблению и т.п. Применение рассмотренных приемов собственной и взаимной компенсации позволяет (за счет введения структурной избыточности в виде специальных компенсирующих каналов) разрабатывать аналоговые устройства, обеспечивающие улучшение их основных качественных показателей.

Использование результатов проведенных исследований на предприятиях микроэлектроники при проектировании аналоговых устройств различного назначения позволит улучшить технические характеристики изделий, сократить сроки их разработки и повысить потребительские качества.

Достоверность результатов исследования научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается результатами математического анализа, включая анализ практических схем, логическими выводами, компьютерным моделированием с применением сред типа PSpice и Cadence, экспериментальными исследованиями опытных образцов, публикациями, патентами, апробацией на конференциях, научно-технических выставках инновационных работ.

Реализация результатов работы. Основные исследования, которые представлены в диссертации, проводились в рамках следующих научно-технических проектов кафедры «Информационные системы и радиотехника» ЮРГУЭС и Проблемной лаборатории перспективных технологий и процессов ЦИПБ РАН и ЮРГУЭС в 2006-2009 гг.:

- генерального соглашения о научно-техническом сотрудничестве ЮРГУЭС с ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва, 2008 г.);

- контракта П507-НК-94П(3) ФЦП «Кадры» «Теоретические основы собственной и взаимной компенсации импедансов и их практические приложения в прецизионных аналоговых микросхемах для систем управления, технической диагностики и телекоммуникаций нового поколения» (2009 г.);

- проекта РНП.2.1.2.75 АВЦП Рособразования «Теоретические основы проектирования прецизионных аналоговых микросхем и аналоговых функциональных узлов IP-модулей с предельными значениями динамических параметров» (20062009 гг.);

- проекта 14.07.ХД по договору № SHKT/R&D/48/2007 от 1.04.07 г. с фирмой Intel (США) «Разработка сложных радиочастотных блоков на основе технологии SiGe для современных беспроводных систем связи» (2007 г.);

- проекта РНП.2.1.2/1127 АВЦП Рособразования «Теоретические основы проектирования нелинейных и управляемых СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникаций нового поколения» (2009 г.);

- проекта 10.09.Ф. АВЦП Рособразования «Теоретические проблемы обеспечения радиационной стойкости аналоговых интегральных микросхем» (2009 г.).

Научные и практические результаты диссертации использовались при проектировании аналоговых микросхем нового поколения в лаборатории № 423 ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва, акт использования от 28.09.07 г.) и НТК ОАО «МНИЛИ» (г. Минск, Республика Беларусь, акт внедрения от 28.08.09 г.).

Результаты проекта РНП 2.1.2.75, в котором автором диссертации подготовлены разделы № 1, 7.2, т. 1; № 2.1, 2.6, 5, 9, т. 2; № 1, 6, т. 3, решением Правления Российского союза разработчиков и производителей микроэлектронных систем (СПМ) от 12.11.07 г., а также руководством Межотраслевого центра проектирования ФГУП НИИМА «Прогресс» (г. Москва) рекомендованы для распространения среди предприятий - членов Союза (отзыв по проекту РНП 2.1.2.75 от 19.11.07 г. директора ФГУП НИИМА «Прогресс» д.т.н., проф. В.Г. Немудрова).

По заключению СПМ к числу результатов, представляющих наибольший практический интерес для предприятий СПМ, в частности, относятся:

1. Архитектура и схемотехника принципиальных схем усилителей и функциональных преобразователей с собственной компенсацией влияния паразитных емкостей полупроводниковых компонентов на граничные частоты сложных функциональных блоков.

2. Архитектура и схемотехника широкополосных дифференциальных усилителей с повышенным коэффициентом усиления, низким токопотреблением и малыми входными токами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях, семинарах, выставках инновационных работ: «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем» (г. Москва, Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006 г.); 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication, Moscau, Russia, June, 2004. - Moscau, 2004; «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (X Международная научная конференция и школа-семинар, г. Таганрог, ТРТУ, 2006); «Радиолокация, навигация, связь» (XIII международная научно-техническая конференция, Воронеж, 2007 г.); «Альтернативные естественно возобновляющиеся источники энергии и энергосберегающие технологии, экологическая безопасность регионов» (выездная сессия секции энергетики Отделения энергетики, машиностроения и процессов управления РАН, 1215 апреля 2005 г., научный руководитель академик РАН Я.Б. Данилевич); II и III специализированные выставки инноваций «Высокие технологии XXI века» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 19-20 мая 2005 г. и 22-24 мая 2007 г.); ежегодных международных научно-практических семинарах «Актуальные проблемы аналоговой микросхемотехники» (г. Шахты, ЮРГУЭС, 2003-2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 печатных работ, из которых 51 статья в трудах всероссийских и международных научно-технических семинаров и конференций, 2 статьи и 11 патентов Российской Федерации в изданиях, рекомендуемых ВАКом, 2 монографии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 256 страницах. Список литературы включает 165 источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи, которые необходимо решить для ее достижения, приведено краткое содержание глав.

В первой главе рассматриваются свойства и архитектура известных и предлагаемых цепей собственной и взаимной компенсации паразитных импедансов и паразитных токовых координат (тока базы, тока утечки на подложку и т.д.) одиночных транзисторов и транзисторных каскадов. Для реализации принципов собственной и взаимной компенсации импедансов в транзисторных схемах (рис. 1а, б) вводится некоторая структурная избыточность (каналы компенсации) - усилитель напряжения (УН1) или усилитель тока (УТ1).

а) б)

Рис. 1. Способы компенсации импеданса двухполюсника Ш

Первый (рис. 1а) хорошо известный способ компенсации импеданса Ш основан на введении между его выводами 1 и 2 неинвертирующего компенсирующего усилителя напряжения УН1. Если его коэффициент передачи по напряжению Кц близок к единице, то эффективная (результирующая) проводимость между узлом 1 и общей шиной может принимать малые значения:

'' ^ = = = (1)

""""эф

ю

к

эф.н

Предлагаемый способ компенсации импеданса Ш реализуется с помощью усилителя тока УТ1 (рис. 16), который выполняет прецизионное измерение координаты ¡я двухполюсника Я1 и передачу ¡я во входную цепь (узел 1). В результате суммирования в узле 1 двух близких по величине, но противоположных по направлению токов ¡ц и ¡ос=1кК1 происходит их взаимная компенсация.

Обоснованы графики функций относительной эффективной проводимости

эф.н _

1-к„

Уэф.т _ 1~к, У, "1 + Ы„

в структурах

Рис. 2. Эффективность компенсации импеданса Ш

V, 1 + Нун рис. 1 при разных параметрах Ки=КгКц(|)=0;0,5;0,8;0,9 (рис. 2), где

= Квых ун/1^ . = К-вх ут/К-1 • Разработан способ взаимной компенсации импеданса многополюсника на основе

использования его изолированной модели (рис. За), который основан на подключении к объекту компенсации (многополюснику М1), имеющему паразитный импеданс Ш, двух идеальных неинвертирующих усилителей напряжения (УН1) и тока (УТ1).

„и,'-К„»,

"I 5<0'ВЦ

Рис. 3. Способ взаимной компенсации входного импеданса Ш многополюсника М1 на основе использования его изолированной модели ММ1 (а) и его модификации (б, в, г)

К схеме мостовой компенсации входной проводимости усилителей с заземленными узлами (рис. 4) сводятся различные модификации эмитгерных повторителей. Здесь эффективная входная проводимость в узле 1:

=^(1-к;и)+у,х2,

у

где Куи = — (К ц 2 -1), у„х2 - входная проводимость УН2.

М1

• к

I, Ш \

5"о Р4' ММ1

-сэ-

*" —2

2"

К, .и, =11

Рис. 4. Мостовая компенсация Ш в усилителях с заземленным узлом 2 многополюсника М1

Рис. 5. Способ компенсации входной проводимости уВх.12 симметричного дифференциального каскада (СДК)

В связи с высокой симметрией и стабильностью характеристик классических (СДК) ДУ информацию о величине входного тока ¡1У (рис. 5) можно получить косвенно - по величине противофазных приращений его выходных токов ¡2+), ¡2 *, функционально связанных с ¡1у и ¡2у. Это можно осуществить с помощью датчиков тока ДТ1, ДТ2, осуществляющих прецизионные преобразования ¡2+), ¡^ и их передачу на входы идеальных инвертирующего (УТ1(_)) и неинвертирующего (УТ1(+)) усилителей тока, у которых

:(+)_к(+):(+)*_кМК(+)К ;

ос -^и'г _ГЧ1 гЧ12*ЧДГ111у>

= (2)

где К1ДГ1 = ¡2+)*/'2+) > к!.дг2 ='2)*/'2-) -коэффициент передачи тока датчиков ДГ1.ДТ2.

В результате в узле 1 (рис. 5) происходит взаимная компенсация двух близких по величине, но противоположных по направлению токов ¡1У и ¡ос, что и приводит к уменьшению эффективной входной проводимости относительно общей шины

Увх.12.эф = Увх 12(1 —К0+>) >

Увх.12.эф=Увх.12(1-4"))> где Кд+) = К^К^К.д!-,, К^ = К|])К^)2К; дГ2 - эквивалентные коэффициенты передачи тока по каналам компенсации.

Перспективный способ компенсации входных токов 1вх.ь 1вх2 и входной проводимости УВ1<, в каскодных ДУ показан на рис. ба.

(3)

а) б)

Рис. 6. Способ компенсации входных статических токов 1вх ь 1вх2 и входной дифференциальной проводимости Увх в ДУ

Для схемы рис. 66 статические входные токи и дифференциальная проводи-

мость:

^вх.1-^61 1*5

'1 1 Л

Р, Рэ-

т _ г _т ~ г

^вх.г-'бг кб о

4 у

J___1_

Р2 Рз-4

Увх.1 ='

вх.1 ^ *61 1к5

1о

1 1

ивх ивх 2фДР, рз_4 где р3_4 - коэффициент усиления по току базы транзисторов УТЗ и УТ4.

№

Рис. 7. Многоканальная мостовая компенсация входной проводимости в схемах с каскодными усилителями

"^илф =Увхл(1-К-

где Ку =т~. К,_2 =-

¡П.З^У.вх

Так как транзисторы \T1-VT4 идентичны по значению р, то, следовательно, входное сопротивление ДУ (рис. 6) значительно увеличивается.

В схеме каскодных усилителей (рис. 7) созданы дополнительные условия для мостовой компенсации не только параметра Ш многополюсника М1 с помощью его модели И.!* (ММ1), но и обеспечивается компенсация входной проводимости каскодного усилителя КУ1 (увхл). Здесь реализуется многоканальная компенсация двух независимых составляющих входной проводимости узла 1. Поэтому эффективная входная проводимость в узле 1 относительно общей шины:

)+^(1+кц.,)[1 - ки23кук;:2]+ Увых.утз, (4)

1+К„

КГвх -

_ " вх. 1

■ выходная проводимость УТЗ.

Увых.утз "

1 Увх.1

Проведен сравнительный анализ эффективности основных структурных методов компенсации в базовых транзисторных каскадах.

Разработаны и теоретически обоснованы архитектурные решения и методы компенсации паразитных импедансов активных многополюсников: метод собственной компенсации входных импедансов активных многополюсников; метод взаимной компенсации входного импеданса многополюсника на основе использования его «изолированной» и «заземленной» моделей; параллельно-балансный способ компенсации входной проводимости усилителя на основе его каскодной модели; мостовой способ компенсации входного импеданса многополюсника; способ собственной и взаимной компенсаций входной проводимости в дифференциальных структурах.

Предложенные методы компенсации паразитных импедансов могут стать основой для разработки аналоговых микросхем нового поколения с более высокими качественными показателями.

Во второй главе рассматривается схемотехника базовых функциональных узлов аналоговых микросхем, реализованная на основе обобщенных методов собственной и взаимной компенсации паразитных параметров транзисторов, и приводятся результаты исследования широкополосных усилителей (ШУ).

Рис. 8. Обобщенная функциональная схема составных многополюсников с компенсацией гк-Ск входного (УТ1) и выходного (УТ2) транзисторов

Показано, что для развития схемотехники ШУ необходим поиск таких структур составных транзисторов (СТ) (рис. 8), у которых в той или иной степени реализуется эффект одновременной компенсации емкостей коллекторного перехода (Скб) входного и выходного активных элементов.

Рассмотрены в широком диапазоне частот свойства каскодных усилителей (КУ) с цепями последовательной (рис. 9а), параллельной (рис. 96) и параллельно-последовательной (рис. 9в) компенсации емкости коллектор-база выходного транзистора.

а)

1«-б)

в)

Рис. 9. Последовательная (а), параллельная компенсация (б) и параллельно-последовательная (в) компенсации емкости С„1 выходного транзистора УТ1 в каскодном усилителе

Исследованы частотные характеристики каскадов с предлагаемыми цепями компенсации влияния емкости перехода коллектор-база (Ск6) и емкости на подложку (Сп). Определены зависимости амплитудно- и фазочастотных характеристик от значений параметров функциональных схем.

Установлена область применения каскадов с компенсацией СКб, приведен анализ функциональных схем широкополосных дифференциальных каскадов.

Показано, что, например, в схемах КУ (рис. 9в) коэффициент передачи по напряжению:

КУ=-

'К-н.экв

1 +

1-

<Укц

(1 + ]соха2Х1 + ]их1ЛХ1 + .¡ШТблХ1 + -МзД

(5)

ГДе т<ж.£ _ тск.1 + тск.2 - ^нэкв(Ск1 + СД; «1 :

а, =-

= ¿¡а^; К,л - коэффициент усиления по току подсхемы УТ1 в диапазоне средних частот; о^, а2 - комплексные коэффициенты усиления по току эмиттеров транзисторов VII и УТ2.

Если в рабочем диапазоне частот выполняются неравенства юта2«1, шт, |«1, сот5«1, ютЭ2«1, штш«1, ют51«1, <мтэ|«1, то из выражения (5) следует, что

~ а1 • • К-н экв

к,

^Е '^н.зкв

1

где тэф=(Ск1+Ск2) К„ЭКв'(1-сс2К; 0= — « тскЕ; сов - верхняя граничная частота усили-

(о»

теля.

Следовательно, постоянная времени тэф, определяющая частоту среза компенсированного КУ, оказывается много меньше тск, что и приводит к существенному расширению полосы пропускания усилителя.

Получены аналитические выражения для нормированной АЧХ каскада и построены графики функций (рис. 10) при различных значениях параметров т*/т„Л -отношения постоянных времени канала компенсации и цепи нагрузки и К2 - коэффициента передачи канала компенсации на постоянном токе (рис. 10)

М =

М2Х2+1

1 + + И2Х2 - 2№С2К;1 + X2

"КЕХ2 +КЯ2Х2

(6)

где Х„ - относительная частота, нормированная по тн.

Физический смысл К.£кр состоит в том, что при значениях К,£, меньших, чем Какр, экстремума функции М=Г(ю) не наблюдается, что положительно влияет на устойчивость в целом.

Показано, что для предлагаемого класса схем (рис. 9) характерны следующие особенности:

1. Параллельная компенсация может быть реализована на транзисторах одного типа проводимости. При этом для СКТ1 необходимо выбирать высококачественные транзисторы с малой емкостью коллекторного перехода Скт«Ск) и высокими значениями 4 в микрорежиме. Параллельная

Рис. 10. Нормированная АЧХ

усилителя при N = — = 1 и Ка=1; 0,9; 0,5; 0

компенсация эффективна при малых значениях емкости С^ « Ск1, и если отношение емкостей Сет/Сх1 и 1 не изменяется в широком диапазоне температур и координат статического режима, то улучшение частотных свойств каскода (рис. 96) может быть достигнуто за счет выбора коэффициента усиления по току канала компенсации на уровне К; = 1 + С^ /Ск1.

2. В схемах дифференциальных усилителей с параллельной компенсацией усиливаемый сигнал может подаваться как по цепи базы, так и по цепи эмиттера составного транзистора.

3. Частотные свойства рассмотренных каскадов описываются практически одинаковыми уравнениями и существенно зависят от соотношения постоянных времени основного и компенсирующего каналов, а также от усиления по току компенсирующего канала.

4. Для эффективной последовательной компенсации в эмитгерной цепи выходного транзистора необходимо иметь малые значения Сэ) и выходной проводимости подсхемы СП1.

Исследованы оптимальные по Г.В. Брауде АЧХ каскадов с последовательной компенсацией С„6, не имеющей подъема в рабочем диапазоне частот. Показано, что условием оптимальности будет выполнение соотношения

(т'М-Сф)2-2^. (7)

или

2К;

(8)

т?, + -эк-

Т, "(1-К,2)2'

где - постоянная времени цепи компенсации УТ1; (т*)2 ~ 1П -г 16, г Ьэ1 вивалентная постоянная времени усилителя.

При этом оптимальное отношение постоянных времени тСК1 и т* зависит от численных значений коэффициента усиления по току канала компенсации Кц (рис. 11).

С? 0,4 0,6 0,8 1 К^ 0.2 0.4 0.6 о.в 1 к^

Рис. 11. Графики зависимости попт=Г(К| х)

Для получения оптимальной АЧХ в схемах с высокой степенью компенсации СКб, т.е. при К|£=1, необходимо иметь тск1/т* »1. При этом постоянная времени т* канала компенсации должна быть значительно меньше, чем постоянная времени цепи нагрузки каскада без компенсации.

В этом случае оптимальная АЧХ будет описываться уравнением

М„

! | (а^ск)2

1 + Ы)2

При пот»1 верхняя граничная частота усилителя с оптимальной АЧХ 1 ГГ.- л/п^ 1

1

(О.

/ГГ7 ~ У'опт 1

>со„

(9)

(10)

"-ок.!

Рис. 12. Обобщенная схема компенсации входной проводимости

где о)в н = тск, - верхняя граничная частота усилителя без компенсации Ск6.

Однако усилители с оптимальной АЧХ имеют меньшую граничную частоту, чем усилители с подъемом АЧХ, и характеризуются большими выбросами при работе с импульсными сигналами. Поэтому для получения максимально возможных значений сов целесообразно выбирать компромиссные решения.

Одновременное уменьшение основных составляющих входной проводимости усилителя в широком диапазоне частот (независимо от абсолютных значений параметров Ск, гк, р, 10) достигается в широкополосном усилителе (рис. 12) между входами Вх.1 и

Вх.2, в который включен неинвертарующий усилитель тока (УТ) с коэффициентом передачи К, = /вь"' . При этом суммарная (эффективная входная) проводимость

'вх-УТ

Увхэф = Увх л(! - К,Кр)+ увхБК(1 -К;КскКи2_,)+уЕЫХ, (11)

1+В • с к

где Кр=—Кск=—1—, Кц2_, = -—; р,, р2 - комплексные коэффициенты 1 + Рг С., Ки1+1

усиления по току базы транзисторов УТ1 и УТ2; Ки,, Ки 2 - комплексные коэффициенты усиления по напряжению Вх.1 и Вх.2.

Условием минимизации первой составляющей увх ^ является равенство нулю

сомножителя при увх,, т.е.

1 К„

1+р,

(12)

Одним из условий минимизации второй составляющей увх ^ является равенство нулю сомножителя при у вх БК, т.е. требуется, чтобы в широком диапазоне частот

' а,

Кц.1

+к:

(13)

При идентичных элементах схемы Р2 =Р1; СК1=Ск2, 111=112 и Ки1 =Ки2 »1 необходимо, чтобы коэффициент усиления по току усилителя УТ был равен единице: К;=1.

Рассмотрены принципы взаимной компенсации импедансов в выходных каскадах и буферных усилителях (БУ). Показано, что за счет новой схемотехники (рис. 13) можно получать более высокие значения верхней граничной частоты ^ и максимальной скорости нарастания выходного напряжения Эвых при емкостной нагрузке (С„) в БУ.

Рис; 13. Эмиттерный повторитель с цепью взаимной компенсации : импедансов Ян и И*

Рис. 14. Собственная компенсация в эмитгерном повторителе

Особенность архитектуры эмиттерных повторителей (ЭП) (рис. 13) - наличие подсхемы двунаправленного повторителя напряжения и тока ПН1, а также модели нагрузки Я* и С* (МН), параметры которой могут отличаться от параметров основной нагрузки Я„ и С„. Введение каналов взаимной компенсации (ПН1,С^, II*) обеспечивает форсирование перезаряда емкости С„ при запирающей полярности ивх.

Установлено, что при ограничениях на энергопотребление, специальное построение эмиттерных повторителей является одним из направлений дальнейшего повышения быстродействия ОУ в нелинейных режимах. Показано, что схема ЭП (рис. 14) с собственной компенсацией емкости С„ в нелинейных режимах обеспечивает значительно больший ток нагрузки при сохранении малого токопотребления в статическом режиме.

Полученные результаты мо1ут использоваться и для улучшения динамических параметров классических выходных каскадов ОУ с составными эмиттерными повторителями, например - на основе «бриллиантового» транзистора, а также во входных каскадах ОУ с токовой обратной связью.

Исследованные базовые варианты широкополосных усилителей с цепями компенсации на интегральных транзисторах, используемых в технологическом процессе ФГУП НПП «Пульсар» показывают, что в ряде случаев удается одновременно обеспечить и собственную компенсацию емкости на подложку, и емкости коллектор-база р-п-р транзисторов, что расширяет частотный диапазон в 3-8 раз. Однако для улучшения частотных характеристик каскадов с п-р-п транзисторами наиболее эффективно использование взаимной компенсации.

Предлагаемый метод расширения частотного диапазона аналоговых микросхем (АМ) (рис. 15) эффективен в том случае, если постоянная времени нагрузки (тп = Сп11н) достаточно велика, т.е. при высокоомных 11„, когда 1/СпКн « ша. При этом частотный диапазон АМ расширяется в 6т-7 раз (рис. 16).

. К„Дб

° -е.

Рис. 15. Пример собственной компенсации емкости на подложку р-п-р транзистора УТЗ

Топология с компенсацией Сп и С*в

43 80 £ МГц

Рис. 16. ЛАЧХ коэффициента передачи по напряжению КУ с компенсацией Сп и Скв

Особенность схемы эмиттерного повторителя (рис. 15) состоит в том, что здесь уменьшается влияние на амплитудно-частотную характеристику АМ не только емкости на подложку СпЬ но и емкости коллектор-база Ск61 транзистора УТ1.

Разработаны методы компенсации емкости на подложку в классических транзисторных каскадах. Показано, что если в схеме усилительного каскада (рис. 17) создать условия, при которых в узел «А» добавляется некоторый искусственно создаваемый ток ¡К1 = ¡п2, равный ¡п1, но противоположный ему по знаку, то в схеме будет ослаблено влияние емкости С„1 на коэффициент усиления. Это общий алгоритм построения выходного транзистора повторителя тока АМ с компенсацией емкости на подлож-ПТ1 в схеме ЭП КУ п-р-п транзистора.

Дополнительным условием синтеза схем с компенсацией С„1 является минимизация влияния на узел «А» входной емкости подсхемы, формирующей компенсирующий ток ¡к] = \„2, а также минимальная инерционность каналов компенсации.

Разработаны и обоснованы способы повышения входного сопротивления широкополосных усилителей; гибридных транзисторных каскадов «ОЭ-ОБ», «ОЭ-ОК», «ОБ-ОК»; каскодных усилителей с компенсацией емкости С„б выходного транзистора; ШУ на основе симметричных и несимметричных дифференциальных каскадов; эмиттерных повторителей с цепями линейной динамической коррекции переходного процесса.

Показано, что для ШУ на р-п-р транзисторах взаимная компенсация паразитных емкостей обеспечивает выигрыш по верхней граничной частоте в 5 +10 раз.

Таким образом, на основе обобщенных методов собственной и взаимной компенсации паразитных импедансов активных элементов найдены условия компенсации их влияния на частотные характеристики аналоговых устройств, предложены способы реализации конкретных схем базовых функциональных узлов: способы построения составных транзисторов, у которых реализуется одновременная компенсация емкостей коллекторного перехода входного и выходного активного элемента, а также компенсация проводимости нагрузки; предложены дифференциальные усилители на основе составных транзисторов, обладающие эффектом компенсации входной проводимости второго каскада, реализованного на базе схем с общим эмиттером.

Третья глава посвящена конкретным схемотехническим методам построения широкополосных транзисторных каскадов с активными нагрузками, обладающих повышенным коэффициентом усиления.

Показано, что применение в качестве нагрузки входного транзисторного каскада ДУ1 каскодного усилителя (Ку1) и канала собственной компенсации (К1к) позволяет повысить Ку широкого класса транзисторных схем (рис. 18а).

Разработана архитектура ДУ с дифференциальной нагрузкой ДУ2 (рис. 186), в которой введение компенсирующего канала с коэффициентом передачи по току Кцс>0 позволяет скомпенсировать влияние нагрузки на Ку. В результате эффективная проводимость нагрузки ДУ1 уменьшается

Уэф.з = У>2(1-Т,), (14)

Рис. 17. Базовая схема компенсации

где Т, = К;ду • К|к, К|ду = -г ~ 1 - коэффициент передачи тока с входа 1 на вход 2 ДУ2;

Кк = -7— коэффициент передачи по току со входа 4 на выход 3 ДУ1.

а)

Рис. 18. Способы повышения коэффициента усиления ДУ1 с каскодной КУ1 (а) и с дифференциальной (ДУ2) (б) нагрузками

При Т; =1 предельный Ку схемы рис. 186 существенно возрастает: К„

' У12(1 —т;) Уп Показано, что в ДУ с несимметричной активной нагрузкой повышение коэффициента усиления по напряжению (Ку=иа/ивх) связано прежде всего с компенсацией тока базы 163 транзистора УТЗ второго каскада (рис. 19а, б).

ттт1 i

Рис. 19. Обобщенные схемы дифференциальных каскадов с повышенным коэффициентом усиления

Если в общей эмитгерной цепи ДК рис. 19а, б возможно выделение подсхемы ЭЦ1, имеющей токовые входы 1 и выходы 2, 3, относительно которых соответст-' вующие коэффициенты передачи по току удовлетворяют условиям

Кц2.э = 1> Кцз.э =-1>

к.

=1,

то эквивалентная проводимость нагрузки ДК в схемах рис. 19а, б уменьшается уАэф ~ Ум3(1-Т:), где Т; <1 - усиление по току канала компенсации; увх3 - входная

проводимость каскада с общим эмиттером на транзисторе \ТЗ. Для схемы рис. 19а, б, соответственно

=777Г-К112.ДП2.1 -1' 1 + р4

' 1 + Р4 "Зэ

Особенность схемы рис. 19в в том, что здесь организован дополнительный канал компенсации через подсхему ЭЦ1 (КИ2э), обеспечивающий передачу дополнительного тока ¡б5 в узел «А» и компенсирующий таким образом влияние входной проводимости транзистора УТб:

Уа,Ф = У=,З(1-Т1Е)+Ув,6«^РЗ(2-Т1^ (15)

Фт

где т,х=-^К112э+^К142э«2; Увх3«Р3-К Увх6~Р3'~ - входные прово-1 + Р4 1 + р5 Фт фт

димости транзисторов УТЗ и УТб; фт «26 мВ - температурный потенциал.

При этом выигрыш по коэффициенту усиления в ДУ рис. 19в

2

Иу =

»1.

2-Т1Х

Таким образом, обеспечение предельных значений коэффициентов усиления по напряжению в транзисторных каскадах связано, прежде всего, с минимизацией проводимости их нагрузки. В этой связи в качестве нагрузок предлагается использовать дифференциальную или каскодную нагрузку с введением дополнительного канала собственной компенсации.

При использовании каналов собственной компенсации каскодные дифференциальные усилители являются более универсальными, чем классические дифференциальные каскады, т.к. имеют большее число входов, которые могут применяться для создания дополнительных каналов передачи приращений компенсирующих токов в высокоимпедансный узел.

Применение каналов собственной компенсации позволяет повысить крутизну усиления классических преобразователей «напряжение-ток» на базе дифференциальных каскадов, что увеличивает коэффициент усиления по напряжению в 5-100 раз без увеличения числа последовательно соединенных подсхем и энергопотребления.

Рассмотренные в настоящей главе способы повышения Ку транзисторных каскадов решают проблемы повышения на 1-2 порядка усиления в следующих базовых функциональных узлах аналоговых микросхем: дифференциальных усилителях; каскодных дифференциальных усилителях; двухтактных каскодных усилителях и промежуточных каскадах на основе повторителей тока.

В четвертой главе приведены результаты исследований операционных и широкополосных усилителей, полученные в среде РБрюе с использованием моделей интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва). Основной це-

лью при проектировании ставилось улучшение частотных характеристик при снижении токопотребления микросхемы с учетом технологических ограничений элементной базы ФГУП НПП «Пульсар».

При разработке функциональных узлов усилителей применены схемотехнические приемы, исследованные в предыдущих главах.

На основе рассмотренных принципов предложена схемотехника операционных усилителей нового поколения с частотой единичного усиления до 40 ГГц, реализуемых на основе новейших технологических процессов SiGe Института инновационной микроэлектроники (IHP, Германия).

Отличия СВЧ ОУ от имеющихся аналогов: устойчивая работа в схемах с обратной связью в СВЧ-диапазоне; парафазный выход; более широкий диапазон изменения входного синфазного сигнала при сверхнизковольтном питании (2 В); повышенный коэффициент ослабления синфазного сигнала (более 100 дБ в диапазоне частот до 2 ГГц); малое напряжение смещения нуля (0,15 мВ).

Рекомендуемая область применения - аналоговые интерфейсы систем связи, автоматики, сложные функциональные блоки и IP-модули систем на кристалле, СВЧ-фильтры и т.д.

Приведены результаты компьютерного моделирования предлагаемых схемотехнических решений, которые показывают, что за счет введения цепей компенсации паразитных импедансов и токовых координат активных элементов возможно увеличение коэффициента усиления, верхней граничной частоты, входного сопротивления каскадов.

Приведенные результаты компьютерного моделирования базовых операционных усилителей, преобразователей и т.д. в средах PSpice и Cadence, адекватность моделей и накопленный опыт убедительно показывают возможность производства конкурентоспособных импортозамещающих аналоговых микросхем в рамках хорошо освоенных технологических процессов, а также на основе новейших технологических процессов SGB25VD (SiGe, IHP, Германия).

Компьютерное моделирование предлагаемых схемотехнических решений показывает, что за счет введения цепей компенсации паразитных импедансов возможно улучшение основных динамических параметров аналоговых микросхем на 1-2 порядка.

В заключении обобщаются основные научные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении представлены рейтинговые таблицы электронных схем с компенсирующими каналами, акты, подтверждающие использование и внедрение результатов диссертационной работы в промышленность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложены пути совершенствования архитектуры и схемотехники аналоговых микросхем, обеспечивающие достижение предельных значений коэффициента усиления по напряжению и входного сопротивления в режиме малого сигнала за счет методов собственной и взаимной компенсации импедансов. Исследованы структурные способы компенсации влияния паразитных параметров транзисторов в аналоговых интегральных микросхемах на верхнюю граничную частоту, входное сопротивление, коэффициент усиления.

2. Исследованы схемотехнические способы компенсации емкости коллектор-база /транзисторов и емкости на подложку. Предложены способы параллельно-балансной, мостовой и многоканальной компенсации. Получены аналитические выражения и определены предельные динамические параметры усилительных каскадов.

3. Приведены результаты компьютерного моделирования базовых каскадов, необходимых для создания интегральных схем в структуре операционных и широкополосных усилителей с предельными значениями частоты единичного усиления и сверхширокополосных инструментальных усилителей на их основе в базисе компонентов технологического процесса ФГУП НПП «Пульсар». Полученные результаты показывают, что предлагаемые методы дают положительный эффект и на базе новых технологий (SGB25VD, IHP, Германия).

Список опубликованных работ по теме диссертации в изданиях ВАКа

1. Ковбасюк Н.В. Структурные методы компенсации сопутствующих нелинейностей каскада с общим коллектором / H.H. Прокопенко, А.И. Сергеенко, Н.В. Ковбасюк // Изв. Вузов. Сев.-Кавк. Регион, техн. науки. - Ростов н/Д. : Ростовский госуниверситет. - 1999. - № 3. - С. 90-92.

2. Ковбасюк Н.В. Параметрический синтез дифференциальных каскадов с нелинейной отрицательной обратной связью по току / H.H. Прокопенко, И.Е. Старченко, Н.В. Ковбасюк // Изв. Вузов. Сев.-Кавк. Регион, техн. науки. - Ростов н/Д. : Ростовский госуниверситет. - 1999. - № 3. - С. 96-98.

3. Пат. 2012126 Рос. Федерация: МПКЛ5 Н 03 F 3/50. Эмиттерный повторитель / Прокопенко H.H., Ковбасюк Н.В., Попов А.Э., Соколов Ю.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС), (ШТИБО). - № 50336511/09 ; заявл. 09.04.92 ; опубл. 30.04.94, Бюл. № 8. - 2 с. : ил.

4. Пат. 2012127 Рос. Федерация: МПКЛ5 Н 03 F 3/50. Эмиттерный повторитель / Прокопенко H.H., Ковбасюк Н.В., Попов А.Э., Соколов Ю.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС), (ШТИБО). - № 50336513/09 ; заявл. 09.04.92 ; опубл. 30.04.94, Бюл. № 8. - 2 с.: ил.

5. Пат. 2012128 Рос. Федерация : МПКЛ5 Н 03 F 3/50. Эмиттерный повторитель /Прокопенко H.H., Ковбасюк Н.В., Попов А.Э., Соколов Ю.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС), (ШТИБО). -№ 5038134/09 ; заявл. 20.04.92 ; опубл. 30.04.94, Бюл. № 8. - 2 с.: ил.

6. Пат. 2078397 Рос. Федерация: МПКЛ6 Н 03 F 3/5. Повторитель напряжения / Прокопенко H.H., Ковбасюк Н.В., Попов А.Э., Соколов Ю.М. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС), (ШТИБО). - № 5038161/09 ; заявл. 20.04.92 ; опубл. 27.04.97, Бюл. № 12. - 3 с.: ил.

7. Пат. № 2331972 Рос. Федерация : МПК H03F 3/45. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению / Прокопенко H.H., Ковбасюк Н.В., Хорунжий A.B. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС). - №2007117847/09 ; заяв. 14.05.07 ; опубл. 20.08.08, Бюл. № 23. -Юс.: ил.

8. Пат. 2331964 Рос. Федерация : МПК H03F 3/343. Преобразователь «напряжение-ток» / Прокопенко H.H., Ковбасюк Н.В., Конев Д.Н.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС). -№ 2007118881/09 ; заявл. 21.05.07 ; опубл. 20.08.08, Бюл. № 23. - 8 с.: ил.

9. Пат. 2331965 Рос. Федерация : МПК H03F 3/45. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению / Прокопенко H.H., Ков-

басюкН.В., Хорунжий А.В. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС). - №2007115713/09 ; заявл. 25.04.07 ; опубл. 20.08.08, Бюл. № 23. -9с.: ил.

10. Пат. 2331974 Рос. Федерация: МПК H03F 3/45, H03F 3/34. Дифференциальный усилитель / Прокопенко Н.Н., Ковбасюк Н.В., Хорунжий А.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС). -№ 2007115712/09 ; заявл. 25.04.07 ; опубл. 20.08.08, Бюл. № 23. -7с.: ил.

11. Пат. 2337470 Рос. Федерация: МПК Н 03 F 3/45. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению / Прокопенко Н.Н., Ковбасюк Н.В., Хорунжий А.В. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС). - № 2007118785/09 ; заявл. 21.05.07 ; опубл. 27.10.08, Бюл. № 30. -8с.: ил.

12. Пат. 2321157 Рос. Федерация : МПК: H03F 3/45, H03F 3/34. Входной каскад быстродействующего операционного усилителя с нелинейной токовой обратной связью /Прокопенко Н.Н., Ковбасюк Н.В., Будяков А.С.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС). -№ 2006144537/09 ; заявл. 13.12.06 ; опубл. 27.03.04, Бюл. X» 9.-12 с.

13. Пат. 2337471 Рос. Федерация : МПК: H03F 3/45. Каскодный усилитель / Прокопенко Н.Н., Ковбасюк Н.В., Хорунжий А.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ЮРГУЭС). - № 2007129234/09 ; заявл. 30.07.07 ; опубл. 27.10.08, Бюл. № 30. - 15 с.

Основной список опубликованных работ по теме диссертации

14. Ковбасюк Н.В. Схемотехника широкополосных усилителей : монография /Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005.-218 с.

15. Ковбасюк Н.В. Архитектура и схемотехника аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией импедансов : монография / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк ; Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2007. - 326 с.

16. Kovbasjuk N.V. Methods of compensation of parasitic parameters of transistors in analogue integrated circuits (статья) / N.N. Prokopenko, S.G. Krutchisky, N.V. Kovbasjuk // 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication, Mo-scau, Russia, June, 2004. - Moscau, 2004.

17. Kovbasjuk N.V. Compensation Methods of Basic Transistors Output Capacitance Components in Analog Integrated Circuits / N.N. Prokopenko, S.G. Krutchinsky, A.S. Budyakov, J.M. Savchenko, N.V. Kovbasjuk // Third IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications (ICCSC'06), july 6-7 2006, Poitehnica University, Bucharest, Romania. - Bucharest, 2006. — P. 44-49.

18. Ковбасюк Н.В. Проблемы проектирования специализированных аналоговых микросхем и аналоговых интерфейсов с предельными значениями динамических параметров / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, А.С. Будяков, С.В. Крюков // Альтернативные естественно возобновляющиеся источники энергии и энергосберегающие технологии, экологическая безопасность регионов : материалы выездной сессии Секции энергетики Отделения энергетики, машиностроения и процессов управления РАН, Ессентуки, 12-15 апреля 2005 г. / под ред. академика РАН Я.Б. Данилевича. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2005. - С. 163-174.

19. Ковбасюк Н.В. Методы компенсации основных составляющих выходной емкости транзисторов в аналоговых микросхемах / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков, Н.В. Ковбасюк, С.Г. Крутчинский, Е.М. Савченко // Проблемы разработки пер-

спективных микроэлектронных систем - 2006 (МЭС-2006) : сборник трудов / под общ. ред. А.Л. Стемпковского. - М. : ИППМ РАН, 2006. - С. 223-228.

20. Ковбасюк Н.В. Быстродействующий СВЧ-операционный усилитель с нелинейной токовой обратной связью / H.H. Прокопенко, A.C. Будяков, Н.В. Ковбасюк // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники : труды 10-й Междунар. научной конференции и школы-семинара, 24-29 сент. 2006 г., Дивно-морское. - Таганрог : Изд-во ТГРТУ, 2006. - Ч. 2. - С. 161-164.

21. Ковбасюк Н.В. Схемотехнические методы повышения надежности операционных усилителей с предельным быстродействием в режиме большого сигнала / H.H. Прокопенко, A.C. Будяков, Н.В. Ковбасюк // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006 (МЭС-2006) : сборник трудов / под общ. ред. А.Л. Стемпковского. - М. : ИППМ РАН, 2006. - С. 235-239.

22. Ковбасюк Н.В. Параллельно-последовательная компенсация емкости коллектор-база выходного транзистора широкополосных усилителей / H.H. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники : труды восьмой междунар. НТК. - Таганрог, 2002. - Ч. 2. - С. 81-83.

23. Ковбасюк Н.В. Предельное усиление по напряжению транзисторных каскадов с активными нагрузками / H.H. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, Ю.М. Соколов // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы Междунар. науч.-практич. семинара. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2002. - С. 194-203.

24. Ковбасюк Н.В. Структуры составных многополюсников, обладающих эффектом одновременной компенсации емкости коллектор-база входного и выходного транзисторов / H.H. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, И.Е. Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы Междунар. науч.-практич. семинара. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2002. - С. 54-65.

25. Ковбасюк Н.В. Способ параллельно-балансной компенсации входного импеданса многополюсника на основе использования его модели / H.H. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, C.B. Крюков // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы Междунар. науч.-практич. семинара. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2003. - Ч. 2. - С. 56-59.

26. Ковбасюк Н.В. Способ повышения входного сопротивления дифференциальных усилителей / H.H. Прокопенко, H.H. Никуличев, Н.В. Ковбасюк // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы Междунар. науч.-практич. семинара. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2003. - Ч. 1. - С. 99-101.

27. Ковбасюк Н.В. Способ повышения быстродействия и верхней граничной частоты классических эмиттерных повторителей с емкостной нагрузкой / Н.В. Ковбасюк, H.H. Прокопенко, A.B. Хорунжий // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : сб. материалов VI Междунар. науч.-практич. семинара В 3-х ч. Ч. 1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков / под ред. H.H. Прокопенко. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2007. -С. 35-41.

28. Ковбасюк Н.В. Архитектура дифференциальных каскадов с повышенным коэффициентом усиления / Н.В. Ковбасюк, H.H. Прокопенко, A.B. Хорунжий //Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : сб. материалов VI Междунар. науч.-практич. семинара. В 3-х ч. Ч. 1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков / под ред. H.H. Прокопенко. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2007. - С. 95-105.

29. Ковбасюк Н.В. Эффективность последовательной компенсации емкости коллектор-база выходного транзистора в каскодных усилителях / H.H. Прокопенко,

H.B. Ковбасюк // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники : труды восьмой Междунар. НТК. - Таганрог, 2002. - Ч. 2. - С. 78-80.

0. Ковбасюк Н.В. Схемотехнические способы компенсации импеданса двухполюсника / H.H. Прокопенко, И.Е. Старченко, Н.В. Ковбасюк // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы Междунар. науч.-практич. семинара. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2002. - С. 26-35.

31. Ковбасюк Н.В. Структурные методы компенсации входной проводимости широкополосных усилителей / H.H. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, С.В. Крюков // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы IV Междунар. науч.-практич. семинара. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2005. - С. 87-103.

32. Ковбасюк Н.В. Дифференциальные усилители (ДУ) с расширенным динамическим диапазоном / Н.В. Ковбасюк, H.H. Прокопенко // Научно-исследовательские разработки, выполненные учеными вузов Ростовской области в 1981-1983 годах. -Ростов н/Д., 1984.

33. Ковбасюк Н.В. Оптимальная по Г.В. Брауде АЧХ каскадов с последовательной компенсацией выходной емкости / H.H. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы Междунар. науч.-практич. семинара. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2002. - С. 75-79.

34. Ковбасюк Н.В. Схемотехнические методы повышения качественных показателей интегральных стабилизаторов напряжения / Н.В. Ковбасюк, H.H. Прокопенко // Научно-исследовательские разработки, выполненные учеными вузов Ростовской области в 1981-1983 годах. - Ростов н/Д., 1984.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве

[14, 29] - описание алгоритмов работы, разработка принципиальных схем и компьютерное моделирование характеристик и переходных процессов; [2, 19, 27, 32] - архитектура, схемотехника и анализ основных параметров дифференциальных каскадов, компьютерное моделирование; [25] - вывод и анализ формул для основных параметров входных каскадов быстродействующих ОУ, связывающих их энергетические и динамические параметры; [3-13, 19-28] - разработка и анализ принципиальных схем, моделирование их основных параметров.

ИД Л'« 06457 от 19.12.01 г. Издательство ЮРГУЭС. Подписано в печать 03.09.2009 г. Формат бумага 60x80/16. Усл. п.л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ № 452.

ПЛД № 65-175 от 05.11.99 г. Типография Издательства ЮРГУЭС. 346500, г. Шахты, Ростовская обл., ул. Шевченко, 147

ВВЕДЕНИЕ.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОБСТВЕННОЙ И ВЗАИМНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИМПЕДАНСОВ В АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМАХ.

1.1 Основные положения общей теории* собственной и взаимной компенсации.

1.2 Схемотехнический метод собственной компенсации входных импедансов активных многополюсников.

1.3 Метод взаимной компенсации импеданса многополюсника на основе использования его изолированной модели.

1Л Метод взаимной компенсации входной проводимости многополюсника и его «заземленной» модели.

1.5 Параллельно-балансный способ компенсации входной проводимости усилителя на основе его каскодной модели.

1.6 Мостовой способ компенсации входного импеданса многополюсника.

1.7 Собственная и взаимная компенсация входной проводимости в дифференциальных структурах.

1.7.1 Мостовой способ компенсации в симметричных дифференциальных усилителях.

1.7.2 Способ взаимной компенсации входной проводимости несимметричных ДУ.

1.7.3 Способ компенсации входной проводимости ДУ, основанный на преобразовании его выходных токов.

1.7.4 Мостовой способ компенсации в несимметричных по входу параллельно-балансных структурах.

1.8 Способ многоканальной компенсации.

1.9 Мостовой способ компенсации в каскодных усилителях.

1.10 Мостовой способ компенсации входной проводимости эмиттерных повторителей.

1.11 Способ нейтрализации паразитных импедансов компенсирующих усилителей.

Выводы.

2 АРХИТЕКТУРА И СХЕМОТЕХНИКА ВХОДНЫХ ЦЕПЕЙ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ С СОБСТВЕННОЙ И ВЗАИМНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ПАРАЗИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВ.

2.1 Составные транзисторы с эффектом компенсации емкостей коллектор-база входного и выходного транзисторов.

2.2 Составные транзисторы с цепями компенсации проводимости нагрузки.

2.3 Основные составляющие входной проводимости транзисторных каскадов с общим эмиттером и обобщенные методы их компенсации.

2.4 Компенсация входной проводимости в гибридных транзисторных каскадах.

2.5 Каскодные усилители.

2.5.1 Схемы с компенсацией емкости CKg выходного транзистора.

2.5.2 Схемы компенсации входной проводимости каскодных ДУ.

2.6 Широкополосные усилители.

2.6.1 Схемы на основе симметричных дифференциальных каскадов.

2.6.2 Схемы на основе несимметричных дифференциальных каскадов.

2.6.3 Эмиттерные повторители.

2.7 Транзисторные каскады с цепями компенсации емкости • на подложку.

2.7.1 Метод собственной компенсации емкости на подложку р-п-р транзисторов в промежуточных каскадах.

2.7.2 Метод взаимной компенсации емкости на подложку п-р-п транзистов.

Выводы.

3 СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ ТРАНЗИСТОРНЫХ КАСКАДОВ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ.

3.1 Классические дифференциальные усилители с активными нагрузками.

3.1.1 Предельный коэффициент усиления.

3.1.2 Способ компенсации выходной проводимости активной нагрузки.

3.2 Способы повышения коэффициента усиления дифференциальных усилителей с каналом взаимной компенсации входных импедансов подсхемы нагрузки.

3.2.1 Архитектура ДУ с каскодной нагрузкой.

3.2.2 Архитектура ДУ с дифференциальной нагрузкой.

3.2.3 Архитектура каскодных дифференциальных усилителей (КДУ) с цепью компенсации выходной проводимости токового зеркала.

3.2.4 Примеры построения практических схем.

3.3 Дифференциальные усилители на основе «перегнутых» каско дов.

3.3.1 Архитектура КДУ с каналом взаимной компенсации проводимости выходного источника опорного тока.

3.3.2 Архитектура КДУ с каналом собственной компенсации проводимости нагрузки.

3.3.3 «Перегнутый» каскодный дифференциальный усилитель с каналом взаимной компенсации выходных проводимостей транзисторов активной нагрузки.

3.3.4 Архитектура КДУ с каналом собственной компенсации входной проводимости буферного усилителя.

3.4 Дифференциальные усилители со взаимной компенсацией выходной проводимости токовых зеркал.

3.5 Промежуточные каскады с повышенным коэффициентом усиления.

3.5.1 Двухтактные каскодные усилители.

3.5.2 Двухтактные промежуточные каскады на основе повторителей тока.

3.5.3 Повышение качества передачи цепи согласования потенциалов.

3.5.4 Компенсация входной проводимости в промежуточных каскадах.

3.6 Способы повышения Ку каскадов с общей базой.

Выводы.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ С ЦЕПЯМИ СОБСТВЕННОЙ И ВЗАИМНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИМПЕДАНСОВ.

4.1 Широкополосные усилители.

4.2 Дифференциальные усилители на основе преобразователей «напряжение-ток» с повышенной крутизной преобразования.

4.3 Дифференциальные усилители с компенсацией входной проводимости промежуточных каскадов.

4.4 Комплементарные каскодные ДУ с повышенным коэффициентом усиления.

4.5 Комплементарный ДУ с компенсацией выходной проводимости.

4.6. Дифференциальные усилители на основе перегнутых каскодов.

4.6.1 ДУ с взаимной компенсацией импеданса активной нагрузки

4.6.2 ДУ с каналом взаимной компенсации проводимостей выходного источника опорного тока.

4.6.3 ДУ с собственной компенсацией проводимости нагрузки.

4.6.4 ДУ с цепями компенсации входной проводимости симметричного промежуточного каскада.

4.7. Архитектура СВЧ операционных усилителей и аналоговых 1Р-модулей на базе технологии Б10е.

Выводы.

ЗАКЛЮЧЕНА.

Показатели уровня качества достаточно широкого класса устройств радиотехники, приборостроения, связи, автоматики существенно зависят от динамических параметров базовых функциональных аналоговых узлов РЭА — операционных усилителей, широкополосных усилителей, НЧ-усилителей мощности, видеоусилителей и т.д. [1, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11]. Совершенствованию микросхем данного класса уделяется большое внимание фирмами Burr-Brown, Maxim, Analog Devices, Philips, Harris, Texas Instruments и др., которые в настоящее время доминируют в России на рынке микроэлектронных изделий.

Внедрение субмикронной технологии [153-155] ведущими западными фирмами показало, что; в отличие от цифровых микросхем, где ужесточение технологических норм привело к существенному повышению производительности при практически неизменной потребляемой мощности, в аналоговых ИС этого результата достигнуть не удалось [8, 56, 114]. Выполненные в России исследования в области надежности различных аналоговых микросхем (AM) [88, 89, 164, 165] показывают, что переход на субмикронную технологию снижает надежность AM и увеличивает граничную частоту низкочастотных шумов, что в конечном итоге указывает на существование целого ряда далеко не технологических ограничений в области субмикронной аналоговой микроэлектроники.

В России в настоящее время недостаточно развиты экономические, технологические и организационные основы создания и эксплуатации предприятий, удовлетворяющие требованиям субмикронной технологии.

Обеспечить относительную независимость отечественных систем радиоэлектронного профиля путем разработки и выпуска необходимой номенклатуры аналоговых микросхем различного уровня интеграции можно и на уровне микронной технологии [102-109]. Указанную проблему в ряде случаев удается решить на схемотехническом уровне — путем создания нового поколения принципиальных схем, обеспечивающих уменьшение степени влияния паразитных параметров активных компонентов и нелинейных режимов их работы на результирующие динамические характеристики и параметры [56].

Для многих предприятий, в том числе выпускающих спецтехнику, особенно актуальным становится решение задачи импортозамещения путем построения конкурентоспособных специализированных микросхем различного функционального назначения без применения дорогостоящей субмикронной технологии, которая, кроме этого, имеет специфические недостатки. Серьезные проблемы в области проектирования аналоговых микросхем нового поколения возникают у отечественных производителей микроэлектронных изделий и в связи с реализацией Соглашения 2003 г. о принципах формирования межотраслевой структуры проектирования сложных СБИС типа «система на кристалле», а также постановления Президента РФ «Основы политики РФ в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу».

Исследования, направленные на разработку экономичных (с точки зрения энергопотребления) схемотехнических методов улучшения динамических параметров различных операционных преобразователей аналоговых сигналов (операционных усилителей, НЧ усилителей мощности, выходных каскадов, программируемых непрерывных стабилизаторов напряжения и т.д.), следует отнести к числу наиболее актуальных в современной микроэлектронике [109, 110, 114, 129, 153].

В этой связи с определенной уверенностью можно утверждать, что создание экономичных широкодиапазонных элементов и устройств, образующих функциональный базис современных 1Р-модулей, позволит пусть и частично, сохранить преимущества гибридных минисистем обработки аналоговых сигналов. Рассмотренные задачи теории аналоговой микросхемотехники сводятся к двум важнейшим направлениям: методика построения усилительных каскадов с собственной и взаимной компенсацией паразитных импедансов и схемотехника каскадов с нелинейной корректирующими цепями (рис. 1) [8, 9].

Теория аналоговой микросхемотехники. Компонентный уровень

Схемотехника каскадов с собственной компенсацией

Схемотехника каскадов с нелинейными цепями коррекции

Быстродействующие экономичные компараторы напряжения

Прецизионные управляемые источники опорного напряжения

Широкодиапазонные экономичные усилители для аналоговых портов ввода/вывода

Экономичные узлы модуля ФАПЧ

Экономичные широкополосные аналоговые умножители

Прецизионные аналоговые ключи

Инструментальные экономичные усилители с фиксированным и инициализируемым кодом, коэффициентом передачи

Аналоговые каналообразующие фильтры

Прецизионные ограничители спектра для 10.16-разр. АЦП с УВХ

Системы фазовой автоподстройки частоты

Встроенные интерферо-метрические интерфейсы

Экономичные быстродействующие 10.16-разрядные АЦП

Экономичные 10. 16-разрядные ЦАП с высокой нагрузочной способностью

Многоканальные экономичные быстродействующие аналоговые мультиплексоры

Фильтры выделения огибающей передав, сообщения

Трансформаторы спектра входных сигналов

Генераторы сетки опорных частот

Управляемые кодом ФНЧ с ограниченным диапазоном частот т

Схемотехника прецизионных частотноизбирательных устройств т

Схемотехника прецизионных измерительных усилителей

Теория аналоговой микросхемотехники. Функциональный уровень.

Рис. 1. Задачи аналоговой микросхемотехники [8]

Все известные методы повышения быстродействия ОУ можно разделить на две группы: улучшающие частотные свойства ОУ и исключающие нелинейные режимы работы его каскадов (рис. 2).

Рис. 2. Классификация методов повышения быстродействия ОУ

Первый путь повышения быстродействия ОУ хорошо известен [1, 4]. Однако он достаточно сложен, т.к. улучшение частотных свойств ОУ возможно осуществить только за счет улучшения частотных характеристик интегральных транзисторов и применения широкополосных схемотехнических решений во входном, промежуточном и выходном каскадах, увеличения общего энергопотребления. Практически частота единичного усиления ^ определяется достигнутым уровнем развития технологии изготовления аналоговых микросхем. Основные схемотехнические правила повышения частоты ^ - создание ОУ с минимальным числом усилительных каскадов, т.е. с минимальной «электрической длиной», выбор оптимальных схемотехнических решений и статических режимов интегральных транзисторов, применение методов компенсации емкости коллектор-база и емкости на подложку [8, 11].

Второй путь повышения быстродействия связан с перенесением проблемы проектирования быстродействующего ОУ из одной предметной области (области ВЧ и СВЧ усиления) в область проектирования линейных каскадов [9]. Очевидно, что последние задачи можно решать значительно проще и совершенно другими схемотехническими методами [9]: введением нелинейных корректирующих цепей (НКЦ), специальным построением входных каскадов — как с «разрушением», так и без «разрушения» классической параллельно-балансной структуры [9, 82, 99, 112, 117, 119, 125, 151]. ■ ••• : ■ 11 ■ : ' ' ' \ ,. ■

Если паразитный: импеданс транзистора или элемент схемы аналогового1 устройства оказывают существенное отрицательное влияние на достижение его предельных и статистических или динамических параметров (коэффициент усиления по напряжению, входное или выходное сопротивление, коэффициент ослабления-входных синфазных сигналов, верхняя граничная-частота и т.д.), то его целесообразно скомпенсировать за счет введения, по определённым. правилам, некоторой структурной^ избыточности - цепей собственной и взаимной компенсации. Разработке методов введения« таких- цепей в базовых функциональных узлах аналоговой микросхемотехникишосвящена настоящая диссертация^]:

Независимо от способа применения компенсирующие обратные связи создают в; структуре любого аналогового устройства дополнительные степени свободы, , которые обеспечивают возможностью применения как вактивных элементах, так и в полупроводниковых компонентах экономичных режимов работы.

Полученные результаты в теоретических исследованиях, эффектов;собственной^-взаимной компенсации паразитных импедансов С.Г. Крутчинского [8] позволяют на базе отечественных технологических процессов с обеспечить» выпуск конкурентоспособных аналоговых микросхем различного функционального назначения и частично решить проблему импортозамещения этого класса микросхем. Кроме этого, , новые схемотехнические возможности аналоговой микроэлектроники с цепями собственной и взаимной компенсации позволяют создавать уникальные по своими качественным показателям широкодиапазонные устройства, направленные на реализацию важных проектов.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов построения аналоговых микросхем нового поколения с использованием эффектов собственной и взаимной компенсаций влияния паразитных импедансов активных компонентов, обеспечивающих повышение верхней: граничной частоты, коэффициента усиления по напряжению, входного сопротивления и других динамических параметров.

Для достижения данной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Обосновать архитектурные решения и способы минимизации влияния на динамические параметры микросхем доминирующих негативных параметров активных многополюсников в основных функциональных узлах аналоговых микросхем различного назначения.

2. Разработать схемотехнические приемы собственной и взаимной компенсаций паразитных импедансов, отрицательно влияющих на верхнюю граничную частоту, коэффициент усиления по напряжению, входное сопротивление и другие параметры функциональных узлов аналоговых микросхем, и оценить их эффективность.

3. Разработать практические методы компенсации влияния паразитных параметров активных многополюсников и исследовать свойства каскадов этого класса, определить их возможности и ограничения технологического характера, обеспечивающие параметрический синтез аналоговых микросхем нового поколения.

При решении данных задач в теоретической части диссертационной работы применяются методы линейного и нелинейного анализа аналоговых электронных схем с применением теории автономного многополюсника. Экспериментальные исследования выполнены на базе системы компьютерного моделирования типа Р8р1се.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способы параллельно-балансной, мостовой и многоканальной компенсации паразитных импедансов, позволяющие синтезировать принципиальные схемы аналоговых устройств различного функционального назначения с расширенным частотным диапазоном.

2. Архитектура и схемотехника аналоговых микросхем, обеспечивающие повышение на 1-2 порядка их коэффициента усиления по напряжению и входного сопротивления за счет использования методов собственной и взаимной компенсаций импедансов.

3. Способы построения составных транзисторных многополюсников аналоговых микросхем с компенсацией импеданса коллекторного перехода входного и выходного транзисторов.

Научная новизна работы определяется следующими теоретическими результатами:

1. Способы построения двухкаскадных дифференциальных усилителей, обладающих повышенным коэффициентом усиления по напряжению за счет эффекта компенсации проводимости нагрузки.

2. Схемно-топологические способы компенсации паразитных емкостей активных компонентов, способствующие расширению малосигнальной полосы пропускания в 5-6 раз для микронных технологий ФГУП Hi 111 «Пульсар» и в 1,6 раз для SiGe технологий института IHP (Германия), внедряемых в России.

3. Архитектура дифференциальных усилителей, в которых применен способ взаимной компенсации выходных проводимостей применяемых токовых зеркал, повышающей предельный коэффициент усиления по напряжению на 15-30 дБ.

4. Базовая схемотехника функциональных узлов аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией паразитных параметров транзисторов, ориентированных на микроэлектронное исполнение с использованием отечественных технологических норм.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 256 страницах текста, иллюстрированного рисунками и графиками, библиографического списка и приложения.

Выводы

1. Приведенные результаты компьютерного моделирования базовых операционных усилителей, преобразователей и т.д. в среде PSpice, качество моделей и накопленный опыт позволяет убедительно показать возможность производства конкурентоспособных импортозамещающих аналоговых микросхем в рамках хорошо освоенных технологических процессов.

2. Теоретические выводы глав 1-3 подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в структуре операционных усилителей и компенсационных стабилизаторов напряжения на моделях интегральных транзисторов ФГУП HIII1 «Пульсар» и Института инновационной микроэлектроники (Германия).

3. Компьютерное моделирование предлагаемых схемотехнических решений показывает, что за счет введения цепей компенсации паразитных импе-дансов и токовых координат активных элементов возможно увеличение коэффициента усиления в 5-100 раз.

210

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ^диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. Рассмотрены пути совершенствования архитектуры и схемотехники аналоговых микросхем, обеспечивающие достижение предельных значений коэффициента усиления по напряжения и входного сопротивления в режиме малого сигнала за счет методов собственной и взаимной компенсации импедансов. Исследованы структурные способы компенсации влияния паразитных, параметров транзисторов в аналоговых интегральных микросхемах на верхнюю граничную частоту, входное сопротивление и т.п. Рассмотрены способы параллельно-балансной, мостовой и многоканальной компенсации. Впервые получены аналитические выражения и определены динамические параметры каскадов данного класса.

2. Исследованы схемотехнические способы компенсации емкости^коллектор-база транзисторов1 и( емкости на подложку. Рассмотрены способы последовательной, параллельной и параллельно-последовательной компенсации.

3. Разработаны схемотехнические способы повышения- быстродействия эмиттерных повторителей с емкостной нагрузкой.*

4. Приведены результаты моделирования (в среде PSpice, Cadence Virtuoso) электронных схем в структуре операционных и широкополосных усилителей с предельными значениями частоты единичного усиления и сверхширокополосных инструментальных усилителей на их основе в базисе компонентов технологического процесса SGB25VD (IHP, Франкфурт на Одере, Германия).

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены на промышленных предприятиях. Акты, подтверждающие- результаты использования и внедрения приведены в приложении.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ЮРГУЭС» на кафедре ИСиРТ при изучении дисциплин «Схемотехника аналоговых электронных устройств» и «Микроэлектроника».

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 66 печатных работах, из которых 51 статья в трудах всероссийских и международных научно-технических семинаров и конференций [12-14, 16, 19— 60, 70, 75-77, 81], 2 статьи в научных журналах [17, 18] и 11 патентов Российской Федерации [61-64, 66-69, 71, 72, 83], рекомендуемых ВАКом, 2 монографии [10, 82]. 212 .

1. Достал И. Операционные усилители : пер; с англ. / И!. Достал. — Mi. : Мир,. 1982:

2. Остапенко Г.С. Усилительные устройства : учеб. пособие для вузов / F.C. Остапенко; -М. : Радиолы связьj 1989. 400 с.3: . Степаненко И.П. Основы; микроэлектроники- : учеб. пособие для вузов /И.П: Степаненко. М. : Сов. радио, 1980. - 424 с.

3. Пол онников Д!Е. Операционные усилители : принципы^ построения; теория, схемотехника/ Д.Е. Полонников. -М. : Энергоатомиздат, 1983.-216 с.

4. Операционные усилители, й компараторы. — М: : Додэка-ХХГ, 2001. — с: 243-244.

5. Матавкин В.В. Быстродействующие1 операционные усилители / В.В. Ма-тавкин. М. : Радио и связь, 1989.

6. Анисимов В.И. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов, М:В. Капитонов, H.H. Прокопенко, Ю.М: Соколов. -Д., 1979.-148 с. ' ;

7. Крутчинский С.Г. Структурный синтез аналоговых электронных.схем : монография / С.Г. Крутчинский. Ростов н/Д. : Изд-во СКНЦ ВШ, 2001. -185 с.

8. Прокопенко H.H. Нелинейная активная коррекция? в1 прецизионных аналоговых микросхемах / H.H. Прокопенко. Ростов н/Д. : Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. - 224 с.

9. Ковбасюк Н.В. Схемотехника широкополосных усилителей : монография /Н.В. Ковбасюк, H.H. Прокопенко. Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2005. -218 с.

10. Крутчинский С.Г. Собственная компенсация в электронных усилителях / С.Г. Крутчинский, H.H. Прокопенко, Е.И. Старченко // Междунар. науч.-техн. журн. «Электроника и связь». — 2004. № 21. — С. 85-91.

11. Ковбасюк Н.В. Схемотехнические методы повышения качественных показателей интегральных стабилизаторов напряжения / Н.В. Ковбасюк,

12. H.H. Прокопенко // Научно-исследовательские разработки, выполненные учеными вузов Ростовской области в 1981—1983 годах. — Ростов н/Д., 1984.

13. Ковбасюк Н.В. Дифференциальные усилители (ДУ) с расширенным- динамическим диапазоном / Н.В. Ковбасюк, H.H. Прокопенко // Научно-исследовательские разработки, выполненные учеными вузов Ростовской области в 1981-1983 годах. Ростов н/Д., 1984.

14. Ковбасюк Н.В! Каталог схем нелинейной коррекции усилительных каскадов / H.H. Прокопенко, Н:В: Ковбасюк // Областная^ научно-техническая конференция, посвященная дню радио : тезисы докладов. Ростов н/Д., 1992.-С. 57.

15. Прокопенко, H.H. Основы структурного синтеза нелинейных корректирующих цепей усилительных каскадов / H.H. Прокопенко ; Шахт, техноло-гич. ин-т ; РЖ «Радиотехника» № 7, 1992. Вып. 24Б. Реф. 7В550ДЕП. -Деп. в ВИНИТИ, № 862-В92. 364 с:

16. Ковбасюк Н.В. Каталог схем аналоговых устройств с нелинейной коррекцией / А.И. Сергеенко, Н.В. Ковбасюк, H.H. Прокопенко. Шахты, 1997.

17. Ковбасюк Н.В; Способы выделения паразитных составляющих выходного тока активных нагрузок и их практическое использование в операционных■ • 220' ' ' ■■■ усилителях с. предельными значениями динамических параметров

18. Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков, Н.В. Ковбасюк // Проблемы современнойаналоговой-микросхемотехники : материалы; V Междунар. науч.-практич.семинара. Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2006: - С. 89-92.

19. Hilton Е.В., Duris R.A., Babcock D.W. Parasitic capacitance cancellation circuit. US Patent № 5.434.4446, 1994.

20. Аваев H.A. Основы электроники : учеб. пособие / H.A. Аваев, ЮЖ., Наумов, В.Т. Фролкин. — М. : Радио и связь, 1991. — С. 288.

21. Ложников А.И. Каско'дные схемы на, транзисторах / А.П. Ложников; Е.К. Сонин. -М:: Энергия, 1969: 144 с.

22. Накопитель аналоговой телевизионной информации на базе видеомагнитофона «Электроника ВМ-12» : проспект ВДНХ СССР / Н.В. Ковбасюк, А.Г. Павленко, H.H. Прокопенко, В.В. Крюков. Шахты, 1989.

23. Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры,/ А.Г. Алексеенко. — Изд. 2-е, перераб: и доп. — М. : Сов. радио, 1977. 408'с.

24. Проектирование и применение операционных усилителей / под ред. Дж. Грэма, Дж. Тоби, Л. Хьюлсмана ; пер. с англ. В.И. Левина и И1М. Хейфеца ; под ред. к.т.н. И.Н. Теплюка. М. : Мир, 1974.

25. Алексеенко А.Г. Макромоделирование аналоговых интегральных микросхем / А.Г. Алексеенко, Б.И. Зуев, В.Ф. Ламекин, И.А. Романов. М. : Радио и связь, 1983. - С. 48. - Рис. 2.8.

26. A.c. СССР 657586, В.М., МКИ № 03 F 3/45. Двухтактный усилитель / H.H. Прокопенко, В.М. Редько.

27. A.c. 873224 СССР, МКИ G 05 F 1/56. Стабилизатор тока / В.И. Анисимов,

28. B.М. Капитонов, H.H. Прокопенко.

29. A.c. 673224 СССР, МКИ G 05 F 1/56. Стабилизатор тока / В.И. Анисимов, В.М. Капитонов, H.H. Прокопенко и др.

30. A.c. 637799'CCCP, MKH'G 05 F 1/56. Генератор тока / H.H. Прокопенко, B.M. Редько.

31. Барнлов И.В. Методы создания двухполюсников с отрицательным дифференциальным сопротивлением / И.В. Барилов // Известия вузов Сев.-Кавк. региона. Технические науки. 1999. - № 3. - С. 94-96.

32. Бессонов Л.А. Линейные электрические цепи. Новые разделы курса теоретических основ электротехники : учеб. пособие для студ. электротехн. ра-диотехн. специальностей'вузов / Л.А. Бессонов. — 3-е изд., перераб. и доп. -М. : Высшая школа, 1983.

33. Волгин Л.И. Аналоговые операционные преобразователи для* измерительных приборов и систем / Л.И. Волгин. М. : Энергоатомиздат, 1983.

34. Волгин Л.И. Высокостабильные усилительные устройства. Методы построениями схемотехника / Л.И. Волгин. — Саратов : Изд-во СГУ, 1985.

35. Волгин Л.И. Топологические усилители электрических сигналов / Л.И. Волгин. Тольятти : ПТИС МГУС, 2002.

36. Горбань Б.Г. Широкополосные усилители,на транзисторах / Б.Г. Горбань. -М. : Энергия, 1975. 248 с.

37. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах / B.C. Гутников. 2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Энергоатомиздат, 1988.

38. Дворников О.В. Влияние рассогласования параметров полупроводниковых компонентов на основные характеристики- дифференциальных каскадов /О.В. Дворников // Передовой опыт. М: : ЦООНТИ «ЭКОС», 1998. -Вып. З.-С. 31-36.

39. Дворников О.В. Комплект аналоговых БИС для работы с емкостными источниками сигналов. Ч. 1 / О.В. Дворников, В;А. Чеховский, А. Солин // Chip News. 1997. - № 11. - С. 20-21.

40. Дворников О.В: Комплект аналоговых БИС для работы с емкостными источниками, сигналов; Ч. 2 / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, А. Солин // Chip News. 1997. - № 12. - С. 28-30.

41. Дворников О.В. Применение биполярного БМК для проектирования*аналоговых ИС. Ч. 3- Быстродействующий компаратор напряжения / О.В: Дворников,- В.А. Чеховский // Chip News. 1999:- № 6. - С. 12-15.

42. Дворников 0:В. Применение биполярного БМК для проектирования аналоговых ИС. Ч: 2. Быстродействующий» зарядочувствительный усилитель-формирователь / 0:В. Дворников,- В:А. Чеховский // Chip News. — 1999. -№6.-С. 12-15.

43. Дворников О.В. Применение биполярного БМК для проектирования аналоговых ИС. Ч. 1. Микромощные малошумящие зарядочувствительные усилители / О.В. Дворников, В.А. Чеховский // Chip» News. 1999: - № 5. -С. 17-20.

44. Дворников О.В., Чеховский В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями. Chip News. — 1999. — №2.-С. 21-23.

45. Иванов B.B. Мощные интегральные усилители*/ B.B. Иванов, В:Н: Иванов. -JI: : ЦНИИч<Румб», 1987.

46. Игумнов Д.В. Транзисторы в микрорежиме / Д.В. Игумнов, И.Ф.Николаев-ский. -М. : Сов. радио, 1978.

47. Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности / В.М. Кибакин. — М. : Радио и связь, 1988.

48. Капитонов М.В. Схемотехника источников тока для интегральных стабилизаторов / М.В'. Капитонов, H.H. Прокопенко, Ю.М. Соколов, В.Я. Югай // ЭТвА : сб. статей / под ред. Ю.И. Конева. М. : Радио и связь, 1981. -Вып. 12.

49. Кривошейкин A.B. Точность параметров и настройка'аналоговых радиоэлектронных цепей / A.B. Кривошейкин. — М.: Радио и связь, 1983.

50. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики / В:И. Каганов. Изд. 2-е, перераб и доп. - М. : Энергия, 1976.

51. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления : учеб. пособие для электротехнических специальностей вузов / П.В. Куропаткин : М. : Высшая школа, 1973.

52. Ленк Дж. Электронные схемы : практическое руководство : пер. с англ. / Ленк Дж. М.: Мир, 1985.

53. Новосибирск : Наука ; Сибирская издательская фирма РАН; 1995.

54. Пальтов И:П. Качество процессов и синтез корректирующих устройств в нелинейных автоматических системах / И.П. Пальтов. М. : Наука.; Главная редакция физико-математической литературы изд-ва, 1975:

55. Пат. 2168263*РоссийскаяiФедерация;,МПК Н'ОЗ F 3/50, Н 03 F 3/45: Эмит-терный повторитель / Старченко И.Е. № 2000110911/09 ; заявл. 25.04.2000 ; опубл. 27.05.01, Бюл. № 15.

56. Полянин К.П. Интегральные стабилизаторы, напряжения / К.П. Полянин. -М. : Энергия, 1979.

57. Проектирование радиопередатчиков : учеб. пособие для вузов / В.В. Шах-гильдян, М:С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.,; под ред. В.В. Шахгильдяна. — 4-е изд., перераб. и доп. — М. : Радио и связь, 2000.

58. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы : учеб. для вузов по спец. «Полупроводники- и диэлектрики» и- «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» / В.В1 Пасынков, JI.K. Чиркин. 4-е изд. перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1987."

59. Прокопенко H.H. Построение усилителей для высокодобротных гираторов / H.H. Прокопенко, В .Я. Югай // Активные избирательные системы : межвузовский науч.-технич. сборник. Таганрог, 1978. - № 4. -С. 123-124.

60. Прокопенко H.H. Вопросы проектирования входных каскадов микроэлектронных операционных усилителей» : автореф. дис: . канд. техн. наук / Прокопенко H.H. ; Ленинградский, электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина). Л., 1975. - 20 с.

61. Прокопенко Н.Н: Способ повышения верхней-граничной» частоты широкополосных транзисторных усилителей / Н.Н. Прокопенко^// Проблемы* современной аналоговой- микросхемотехники : труды Междунар. науч.-практич. семинара. Шахты - Минск, 2001.

62. Прокопенко Н.Н. Схемотехнические методы компенсации импеданса двухполюсника / Н.Н: Прокопенко, И.Е. Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники» : труды Междунар. науч.-практич. семинара. Шахты - Минск, 2002. - Ч. 1.

63. Прокопенко H.H. Схемотехника широкополосных двухкаскадных транзисторных усилителей / H.H. Прокопенко, И.Е. Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы Междунар. науч.-практич. семинара. Шахты, 2002. — Ч: Г. — С. 235-239.

64. Старченко И.Е. Стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием / И.Е. Старченко, Е.И. Старченко // сборник аттестационных заданий по дисциплине «Электропреобразовательные устройства». Шахты : ДГАС, 1999.

65. Старченко И.Е. Применение связи в перед в стабилизаторах с непрерывным регулированием / И.Е. Старченко, И.В. Барилов, Е.И. Старченко //Радиоэлектроника и физико-химические процессы : сб. науч. трудов. -Шахты : ДГАС, 1997. Вып. 20. - С. 43-47.

66. Старченко И.Е. Операционные: усилители с токовой- обратной связью / ИгЕ. Старченко; Е.И: Старченко-// Электронный-журнал «Исследовано в России», 2000. С. 564-578. URL : http://zhurnal:ape.relarn.ru /articles/2000/129.pdf.

67. Стспаненко ИЛ I. Основы теории транзисторов; и транзисторных схем / ИЖ Степаненко: Изд;,4-е, перераб: и»дош - Mi: Энергия; 19771

68. Смирнов P.A. Оптимизация« параметров импульсных и широкополосных усилителей / РГА*.Смирнов: М! ¡ Энергия; 1976:

69. Титце У. Полупроводниковая схемотехника : справочное руководство : пер:х нем: / У. Титце, К. Шенк. — М; : Мир, 1982.

70. Хоровиц П. Искусство схемотехники : в 2 т. : пер с англ. / П. Хоровиц, У. Хилл. М. : Мир, 1983.

71. Шапиро Д-П. Расчет каскадов транзисторных радиоприемников / Д;Н. Шапиро.-Л. : Энергия, 1968.

72. Baturitsky M.A. An analog bipolar-JFET master slice array for multichannel front-end electronics / Baturitsky MIA., Dvornikov, ©:V. Tchekhovsky // 1st IEEE International Conference of Circuits and Systems for Communications. — Saint-Petersburg, 2002.

73. Christian Henn. New ultra high-speed circuit techniques with analog ICs. AB-183, Copyright Burr-Brown Corporation: Printed in U.S.A. May, 1993*.

74. Data Sheet OP-421 High speed, fast settling, precision operational amplifier. Analog Devices, Inc., Printed in USA 1993:

75. Date Sheet OPA603. High Speed, Current-Feedback, High voltage operational amplifier. Burr-Brown Corporation. Printed in U.S.A. February, 1995

76. Gilbert B.A. A new wide-band technique. IEEE J. Solid-State circuits, 1999 v.sc-5, N 6.

77. James Karki. Effect of Parasitic Capacitance in Op Amp Circuits. Application Report SLOA013. Copyright Texas Instruments Incorporated. February 1999.

78. James Karki. Driving-Capacitance With the THS3001'. Application* Report SLOA014*. Copyright'Texas Instruments Incorporated. April 1999.

79. Krutchisky S.G. Fundamental' limitation in precision« analog circuits / S.G. Krutchisky // 1st IEEE International Conference of Circuits and Systems for Communications. — Saint-Petersburg, 2002.

80. Prokopenko N.N. Methodof rising the upper level frequency limit of wide-band amplifier / N.N. Prokopenko, E.I*. Starchenko // 1st IEEE International Conference of Circuits and Systems for Communications. — Saint-Petersburg, 2002.

81. Ron Mancini. Stability analysis of voltage-feedback Op Amps including compensation techniques. Application Report SLOA020. Copyright Texas Instruments Incorporated. July, 1999.

82. Ron Mancini. Feedback amplifier analysis tools. Application Report SLOA017. Copyright Texas Instruments Incorporated. April, 1999.

83. Ron Mancini. Current Feedback Amplifier Analysis and Compensation. Application Report SLOA021. Copyright Texas Instruments Incorporated. May, 1999.

84. Балим Г.М. Оценка времени безотказной работы полупроводниковых приборов и микросхем по ожидаемому уровню фликкер-шума / Г.М. Балим, М.Г. Левина // Известия вузов. Электроника. 2001. - № 3. - С. 43-51.

85. Балим Г.М. Оценка стабильности и долговечности электронных устройств на стадиях проектирования / Г.М. Балим // Известия вузов. Электромеханика. 1995. - № 4. - С. 78-83.234