автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Архитектура и схемотехника операционных усилителей с предельными значениями динамических параметров

На правах рукописи

БУДЯКОВ Алексей Сергеевич

АРХИТЕКТУРА И СХЕМОТЕХНИКА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С ПРЕДЕЛЬНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Специальность:

05 13 05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003172403

Таганрог 2008

003172403

Работа выполнена в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса (г Шахты) на кафедре «Информационные системы и радиотехника»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, Прокопенко Н Н Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, Крутчинский С Г кандидат технических наук, доцент, Савелов Н С

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры «Прогресс» (г Москва)

Защита состоится « 27 » июня 2008 г в 14 — 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, корпус «Д», г Таганрог, Ростовская область, 347928

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу 344000, Ростов-на-Дону, ул Пушкинская, 148

Автореферат разослан » мая 2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 208 21 доктор технических наук, профессор

Чернов Н И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проб темы. Микросхемы современных операционных усилителей (ОУ) и интерфейсных устройств на их основе представляют собой достаточно сложные нелинейные динамические системы Большинство современных быстродействующих ОУ ведущих микроэлектронных фирм, в тч российских, характеризуются средними значениями максимальной скорости нарастания выходного напряжения (100-500 В/мкс) Это обусловлено нерациональным построением их архитектуры, а также схемотехники входного, промежуточного и выходного каскадов, которым присущи нелинейные режимы работы [1]

Дальнейшее улучшение динамических параметров ОУ нового поколения зависит не только от достижений в области полупроводниковых технологий, но и от их структурных и схемотехнических решений В случае разработки адаптированной к конкретному производству схемотехники интегральных микросхем (ИМС) существует возможность построения ряда конкурентоспособных аналоговых ИМС и IP-блоков на базе существующих российских биполярных технологий, в частности ФГУП НПП «Пульсар» (г Москва) Задача обеспечения предельного быстродействия ОУ (максимальной скорости нарастания выходного напряжения $вых, времени установления для заданной зоны динамической ошибки tyCT по обеим полярностям выходного сигнала, частоты единичного усиления fcp сводится к решению двух актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники, рассмотренных в диссертации

• Разработке перспективных методов расширения диапазона активной работы основных каскадов ОУ нового поколения или исключение его влияния [2] на динамические параметры

• Повышению частоты единичного усиления ОУ [3] при необходимом запасе устойчивости

Последние достижения в области технологий с транзисторами на основе гетеропереходов кремний-германий (SiGe) в ведущих микроэлектронных фирмах и научно-исследовательских институтах (например, IHP, Германия [4], Texas Instruments, США, STMicroelectronics, Франция, Analog Devices, США) показали возможность создания операционных усилителей с fq, в единицы-десятки гигагерц Для построения таких СВЧ ОУ необходимо исследовать специальную схемотехнику, обеспечивающую предельные динамические параметры в режиме малого сигнала Разработка СВЧ ОУ создает предпосылки обеспечения многофункциональной аналоговой элементной базой для перспективных систем передачи информации и управления при существующем на сегодняшний день уровне развития SiGe технологий

Степень разработанности темы. Прикладные вопросы нелинейной динамики применительно к построению широкополосных аналоговых и аналогово-цифровых устройств рассматривались в исследованиях научной школы д т н , проф Анисимова В И , д т н, проф Смолова В Б , д т н , проф Угрюмова Е П (СПбЭТУ), д т н проф Волгина JIИ (Ульяновский государственный техниче-

ский университет), к т н Матавкина В В (РЗПП «Альфа», Латвия), д т н , проф Прокопенко H H (ЮРГУЭС), а также зарубежных специалистов Ivanov V V (Texas Instruments, USA), Farhood Moraveji (Micrel, USA) и др Декомпозированный подход к решению задач повышения быстродействия ОУ был описан в публикациях проф Анисимова В И , проф Прокопенко H H и др Преемственность использованных в диссертации методов подтверждена в публикациях автора [1,3,5-10]

Цель диссертационной работы. Целью работы является исследование и дальнейшее развитие архитектурных и схемотехнических способов повышения быстродействия ОУ нового поколения в линейных и нелинейных режимах, разработка методов, позволяющих приблизить быстродействие ОУ в режиме больших импульсных сигналов к предельному, характерному для линейных режимов, получить предельное значение частоты единичного усиления

Основные задачи исследования Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач

1 Провести сравнительный анализ современных способов повышения быстродействия ОУ в линейных и нелинейных режимах, исследовать эффекты, возникающие при динамической перегрузке основных функциональных узлов с целью определения рекомендаций по проектированию быстродействующих ОУ нового поколения с предельными значениями динамических параметров

2 Разработать структурные методы исключения динамической асимметрии в быстродействующих ОУ с целью обеспечения предельного быстродействия ОУ при обработке импульсных входных сигналов различной полярности

3 Провести сравнительный анализ динамических параметров решающих усилителей на основе ОУ с обратной связью по напряжению (ОСН) и ОУ с так называемой токовой обратной связью (TOC) в режимах малого и большого сигналов с целью выявления существенных признаков данных базовых архитектур ОУ и определению их предельных характеристик

4 Разработать комбинированные способы введения обратных связей, сочетающие преимущества известной токовой обратной связи и обратной связи по напряжению

5 Разработать новые принципы и алгоритмы нелинейной коррекции применительно к базовым подсхемам быстродействующих ОУ, позволяющие повысить скорость нарастания выходного напряжения в ОУ на основе отечественных микронных технологий (ФГУП НПП «Пульсар»)

6 Исследовать и разработать схемотехнику ОУ с предельным малосигнальным быстродействием, устойчивых при введении 100%-й обратной связи Методы проведения исследования. В работе использованы методы сигнальных графов, кусочно-линейный метод анализа переходных процессов, операторный метод анализа передаточных характеристик цепей, метод узловых напряжений, теория длинных линий Экспериментальные исследования выполнены на ЭВМ с применением программ моделирования электронных схем PSpice, среды Cadence Virtuoso и высокоточных моделей компонентов

Научные положения, выдвигаемые для защиты:

1 Методика устранения динамической асимметрии произвольного дифференциального каскада с нелинейной коррекцией, позволяющая описать его динамические свойства при различной полярности входного импульсного воздействия и определить структурную схему сверхбыстродействующего ОУ с минимальным количеством каскадов для инвертирующего и/или неинверти-рующего включений

2 Методики проектирования, архитектура и базовая схемотехника функциональных узлов быстродействующих ОУ с новыми типами нелинейных корректирующих цепей, которые позволяют приблизить быстродействие ОУ к предельному, характерному для линейных режимов работы

3 Результаты сравнения архитектуры и динамических параметров ОУ с ОСН и ОУ с TOC, а также конкретные условия, при которых ОУ с ОСН могут иметь более высокие значения скорости нарастания выходного напряжения, чем ОУ с TOC

4 Новые архитектуры операционных усилителей с обобщенной обратной связью по напряжению (потенциальная и токовая), позволяющие сочетать достоинства ОУ с TOC и ОУ с ОСН

5 Архитектура и схемотехника СВЧ ОУ с минимальной электрической длиной, позволяющие разрабатывать широкополосные аналоговые интерфейсы и устройства автоматики, работающие с глубиной обратной связи до 100%

6 Новые схемно-топологические методы компенсации паразитных емкостей активных компонентов ОУ, способствующие расширению полосы пропускания в 5-10 раз для микронных технологий ФГУП НПП «Пульсар» и в 1,6 раз для SiGe технологий института IHP (Германия)

Новые научные результаты.

1 Исследовано явление динамической асимметрии [5] входных дифференциальных каскадов (ДК) с нелинейными корректирующими цепями и предложен способ ее описания для положительного и отрицательного фронтов входного импульсного напряжения ОУ Такое описание позволило в каждом конкретном случае построить рейтинговые таблицы для всех потенциально возможных выходов ДК, а далее - структурную схему сверхбыстродействующего ОУ с минимальным количеством каскадов для инвертирующего и/или неинвертирующего включений При этом выбор структуры ОУ с минимальным количеством каскадов осуществляется путем перебора ограниченного количества сочетаний выходов ДК в условиях заданных ограничений на другие параметры

2 Разработан новый способ повышения быстродействия ОУ с непосредственной связью каскадов [2], заключающийся в изменении принципа формирования дополнительного зарядно-разрядного тока корректирующего конденсатора При его реализации отсутствует необходимость «разрушения» структуры классического входного дифференциального каскада - требуется лишь параллельное включение двух идентичных каналов (линейных или нелинейных), что позволяет создавать быстродействующие микромощные ОУ с хорошими статическими параметрами

3 Разработаны архитектуры [11, 12, 13] быстродействующих ОУ с обобщенной токовой и потенциальной обратной связью Такие ОУ позволяют сохранить все преимущества ОУ с ОСН и обеспечить постоянную полосу пропускания при изменении коэффициента передачи операционных преобразователей на их основе Проведен анализ усилителей с нелинейными параллельными каналами и комбинированными обратными связями Предложена расширенная классификация таких усилителей, учитывающая тип обратной связи на малом и большом сигналах и его полярности Это позволило систематизировать структурные методы повышения быстродействия ОУ с нелинейными параллельными каналами

4 Разработаны методики проектирования каскадов ОУ с повышенным быстродействием на основе новых типов нелинейных корректирующих цепей [14, 15, 16] и цепей линейной динамической коррекции [17], позволяющие приблизить скорость нарастания выходного напряжения ОУ и его время установления в пределах заданной зоны динамической ошибки к предельным значениям

5 Определены энергетические ограничения для входных каскадов быстродействующих ОУ с широким диапазоном активной работы [6], устанавливающие связь между максимальной рассеиваемой мощностью на коллекторе транзистора входного каскада и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения ОУ Предложена методика построения цепей «интетпектуальной» защиты входных каскадов [18], отличающихся от классических схем возможностью повысить надежность быстродействующего ОУ без ухудшения его динамических параметров

6 Разработаны рекомендации по проектированию ОУ с предельными значениями частоты единичного усиления [4] и минимальной электрической длиной Применение предлагаемой схемотехники позволило создать СВЧ ОУ и операционные преобразователи на их основе (с глубиной обратной связи до 100%) в базисе компонентов современных ЗЮе технологий

7 Предложены схемно-топологические методы компенсации паразитных емкостей активных компонентов ОУ, способствующие расширению малосигнальной полосы пропускания в 5-10 раз для микронных технологий ФГУП НПП «Пульсар» и в 1,6 раз для БЮе технологий института 1НР

Практическая ценность работы определяется применением полученных результатов при проектировании широкого класса линейных интегральных схем и 1Р-блоков для СБИС типа «система на кристалле» - быстродействующих усилителей и стабилизаторов напряжения, устройств частотной селекции, драйверов линии связи, усилителей промежуточной частоты, пиковых детекторов и тп [1], содержащих перегружающиеся транзисторные каскады или сложные функциональные блоки, созданием комплекта принципиальных схем широкополосных ОУ, ориентированных на биполярную технологию ФГУП НПП «Пульсар» для частичного решения проблем импортозамещения аналоговых ИМС, разработкой базовых схемотехнических решений СВЧ ОУ и устройств автоматики на их основе, ориентированных на технологию 50В25УВ, освоение которой ведется рядом промышленных предприятий РФ

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается результатами математического анализа, включая анализ набора практических схем, логическими выводами, компьютерным моделированием, экспериментальными исследованиями опытных образцов, актами внедрения, публикациями, патентами, апробацией работы на международных, всероссийских и внутривузовских научно-технических конференциях и семинарах, научно-технических выставках инновационных работ

Реализация результатов работы. Основные исследования, результаты которых 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 2004-2007 гг

• генерального соглашения о научно-техническом сотрудничестве от 5 07 2004 г с ФГУП НПП «Пульсар» (г Москва),

• проекта ЮРГУЭС РНП 2 1 2 75 «Теоретические основы проектирования прецизионных аналоговых микросхем и аналоговых функциональных узлов IP-модулей с предельными значениями динамических параметров» [19] (аналитическая ведомственная целевая программа Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2007 годы)»),

• проекта ЮРГУЭС - 14 07 ХД по договору № SHKT/R&D/48/2007 от 1 04 07 с фирмой Intel (США) «Разработка сложных радиочастотных блоков на основе технологии SiGe для современных беспроводных систем связи» Научные и практические результаты диссертации использовались при проектировании аналоговых микросхем нового поколения в лаборатории № 423 ФГУП НПП «Пульсар» (г Москва, акты внедрения от 18 11 04 и 28 09 07)

Результаты проекта РНП 2 1 2 75, в котором автором диссертации подготовлены разделы №6 6, 7 3, т 1, №1-4, 9, т2, №2, 1 5, тЗ, решением Правления Российского союза разработчиков и производителей микроэлектронных систем, а также руководством Межотраслевого центра проектирования ФГУП НИИМА «Прогресс» (г Москва) рекомендованы для распространения среди предприятий - членов Союза (отзыв по проекту РНП 2 1 275 от 19 11 07, решение Правления Союза разработчиков и производителей микроэлектронных систем от 12 И 07)

Результаты исследования ОУ с минимальной электрической длиной и функциональных узлов на их основе использовались при проектировании аналоговых микросхем в институте Инновационной микроэлектроники (IHP, г Франкфурт на Одере, Германия) во время научной стажировки с 28 02 07 по 28 09 07 по гранту Президента РФ для обучения за рубежом (письмо руководителя отдела схемотехники института IHP, Dr Christoph Scheytt)

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих научно-технических конференциях, семинарах, выставках инновационных работ «Проблемы разработки перспективных микроэлекгронных систем» (г Москва, Институт проблем про-

ектирования в микроэлектронике РАН, 2006 г), 2-я и 3-я конференции IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications - ICCSC'04 (June 30 - July 2, 2004, Moscow, Russia) и ICCSC'06 (July 6-7, Bucharest, Romania, 2006), U.R.S.I. Landesausschuss Deutschland e.V. Kleinhcubacher Tagung 2007 (Miltenberg, Germany, 24-27 September 2007), «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 естественновозобновляющиеся источники энергии и энергосберегающие технологии, экологическая безопасность регионов Выездная сессия отдела РАН Материалы сессии, Есенту-ки, 12-15 апреля 2005 г, «Современные информационные и электронные технологии», 5-я Международная научно-практическая конференция - Одесса, 2004, международная конференция «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроииформатика в науке и технике» (КЛИН-2004, КЛИН-2006), секция: «Схемно-топологические модели активных электрических цепей: синтез и анализ», г Ульяновск, УлГТУ, 16-18 мая 2004 г, II и III специализированная выставка инноваций в промышленном производстве «Высокие технологии XXI века», г Новочеркасск, ЮРГТУ (НИИ), 19-20 мая 2005 г и 22-24 мая 2007 г , ежегодных международных научно-практических семинарах «Актуальные проблемы аналоговой микросхемотехники» (г Шахты, ЮРГУЭС, 2003-2007 гг)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций, 3 работы в научных журналах, 1 монография, получено 40 патентов РФ

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 94 наименований, и приложения Основная часть работы изложена на 175 страницах машинописного текста

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается обоснование актуальности проблемы, приводятся основные цели и задачи работы, краткое содержание глав диссертации

В первой главе рассматриваются особенности работы быстродействующих ОУ, имеющих изломы на частотной характеристике петлевого усиления, а также динамики работы ОУ с квазилинейными входными каскадами Показана возможность использования декомпозированного подхода к решению задачи нелинейной динамики ОУ

Приведена классификация известных методов повышения быстродействия операционных усилителей улучшающие частотные свойства ОУ (частоту единичного усиления - fcp) и исключающие нелинейные режимы работы его каскадов (расширение диапазона активной работы - идар)

Сравнение переходных процессов (рис 1а) выходного напряжения О У с компенсацией статической нелинейности основного канала при различных видах его проходных характеристик (рис 16) показывает, что лучший из всех возможных вариантов соответствует линейной проходной характеристике (ПХ)

Рис 1 Переходные процессы в ОУ (а) с различными проходными характеристиками входного каскада (б)

При сохранении малосигнальных значений запаса устойчивости, данный вариант позволяет получить на большом сигнале такие же динамические характеристики, как и для линейной системы Поэтому с данной точки зрения варианты ПХ № 3-№ 5 лучше, чем вариант № 1, но хуже, чем вариант № 2

Показано, что в случае применения перспективной архитектуры ОУ с промежуточным каскадом на основе повторителей тока (ПТ) с медленным выключением, переходный процесс на выходе ОУ может иметь значительное перерегулирование [3, 7, 8] Поэтому рейтинг выходов (относительная скорость обработки входного импульсного сигнала - «хорошая» или «плохая») входного квазилинейного дифференциального усилителя и промежуточного каскада на основе ПТ следует характеризовать не только при их включении, но и при выключении

Определены граничные значения входных напряжений, превышение которых приводит к прямо пропорциональному нарастанию напряжения ошибки усиления сигнала в ОУ с нелинейными каскадами [1] и даны рекомендации по их устранению

Вторая глава посвящена исследованию структурных методов обеспечения предельных динамических параметров ОУ с обратной связью по напряжению и с токовой обратной связью Исследовано явление динамической асимметрии дифференциальных каскадов (ДК) с нелинейными корректирующими цепями [5] - существенно неодинаковые по времени установления и максимальной скорости нарастания выходного напряжения переходные процессы для положи-

тельных и отрицательных импульсных входных сигналов, обусловленные наличием запирающихся повторителей напряжения (ПН), которые согласовывают статические уровни в схеме Разработан способ описания динамической асимметрии произвольного ДК быстродействующего ОУ для положительного и отрицательного фронтов С помощью такого описания можно выбрать выходы ДК, по которым время фронта характеризуется наименьшей чувствительностью к инерционности ПН Для этого предлагается использовать специальную рейтинговую таблицу, которая характеризует поведение каскада при обработке импульсных сигналов, подаваемых на различные входы Первая зона таблицы характеризует порядковый номер выхода и фазу его сигнала по отношению к первому входу (Вх 1) Выходы с обозначениями Вых,,, Вых Вых 11п являются инвертирующими, а выходы Выхй, Вых*2, Вых,2га - неинвертирующи-ми Выходы Вых.,,, Вых а, Вых,1п, Вых12га согласованы с потенциалом шины положительного источника питания +ЕП, а выходы, обозначенные знаком (*), «привязаны» к -Еп В верхней правой части таблицы указывается рейтинговая оценка динамических параметров при отработке положительного (хор(+), плох (') или отрицательного (хор <-'\ плох импульса, поступающего на первый вход ДК В нижней части таблицы приводится рейтинговая характеристика того же самого выхода, для случая, когда входной импульс, имеющий положительные и отрицательные значения, подается на второй вход ДК (Вх 2)

Устранение отмеченной выше динамической асимметрии без ужесточения требований к быстродействию повторителя напряжения возможно путем параллельного включения двух идентичных по схеме, но противоположных по типу применяемых транзисторов дифференциальных усилителей ДУ1, ДУ2 с НКЦ (рис 2а), а также надлежащего суммирования выходных токов «хороших», причем синфазных выходов, согласованных по постоянному току с одноименными шинами источников питания, например с помощью типового набора функциональных узлов (рис 26) Учитывая фазовые соотношения сигналов на обобщенных выходах Ан и А В(+> и В а также инвертирующие свойства повторителей тока ПТ1-ПТ4, были синтезированы три основные структурные схемы быстродействующих ОУ без динамической асимметрии (рис 2в,г,д) Показано, что когда максимальное значение выходного напряжения ивыч = иЕыч ^ кЕп, где Е„ - напряжение питания ОУ, теоретически возможная предельная скорость нарастания выходного напряжения идеального (линейного) ОУ оценивается по приближенным формулам

п(+х-) _ 9 7Р (+)(-) е

выч шах "" ' п ср

Синтез структурной схемы быстродействующего ОУ без динамической асимметрии осуществляется путем перебора конечного множества выходов (п) входного каскада, выбора выходов (т), быстродействие которых характеризуется наименьшей чувствительностью к инерционности ПН и надлежащего суммирования некоторого количества выходов из множества т Максимальное число (Мтах) синтезируемых структурных схем определяется суммой сочетаний

неупорядоченных подмножеств из ш элементов: Мгаах = С1П1 + ... + С™4 +1, где С^ = т!/(т -к)!к!. Наложение дополнительных ограничений на параметры ОУ позволяет значительно уменьшить количество рассматриваемых структурных схем.

\7

V В''>

Вх-каскад без ДА

Вых. хор'" хор'"'

хор'"1 хор'"'

V

V

б)

А'"1 С1 Д1" С4' Д4

Вых. хор"

хор

А" С1 дГ С4* Д4

Вых

Вх.2(,)|

[■*) , '-) , » V" СЗ" ДЗ С2 да' Г)

Рис. 2. Архитектура универсального быстродействующего ОУ без динамической асимметрии (а), базовый набор функциональных узлов ОУ (б) и основные топологические схемы быстродействующих ОУ (в), (г), (д)

Предложена новая архитектура [19] широкополосного быстродействующего ОУ на основе «перегнутого» каскода (рис. За) с параллельными каналами передачи малого (УТ3.1, ПТ1.1; УТ4.1; УТ3.2, ПТ1.2; УТ4.2, граф рис. 36) и большого ОТЖ2.1, ПТ3.1, ПТ1.1; УОМ1.1, ПТ1.2; УБК1.2, ПТ1.1; УБН2.2, ПТ3.2, ПТ1.2, граф рис. Зв) сигналов.

ПТЗ.] ... ПТ1.2

'иф 'ифг^'

-НЗ+

о+р . ута I

Вых. 1

УОШ.2 Н

-т-

>Т< " 1.2

Ф Ф

Рис. 3. Схема промежуточного каскада ОУ [19] (а) с параллельными каналами передачи малого (б) и большого (в) сигналов

Разработан новый алгоритм нелинейной коррекции ОУ (рис. 4 [2]), заключающийся в формировании дополнительного тока заряда (разряда) корректирующего конденсатора (Ск) с помощью параллельного канала, который может быть как линейным, так и нелинейным.

и„ы*-иск(с коррекцией) "А"

и,„,=и„ (без коррекции)

б)

(-Пггтг а)

Рис. 4. Пример реализации быстродействующего ОУ [2] с двумя идентичными параллельными каналами (а) и переходные процессы в ОУ (б)

Формирование сигнала ошибки происходит в данном случае за счет различной инерционности выходов параллельных идентичных каналов (в отличии от классических схем НКЦ с существенно различающимися по схемотехнике параллельными каналами):

um=AUom=u;-uCK^CK/c;-l)(I0 t)/CK = (n-l)(I0 t)/CK Проведено сравнение обобщенных схем ОУ с токовой обратной связью (TOC) и обратной связью по напряжению (ОСИ) с мостовым входным каскадом (МДК) [9] Выявлено, что частоты единичного усиления и коэффициенты передачи на низких частотах разомкнутых ОУ с ОСН и ОУ с TOC равны в случае равенства масштабного резистора (R0H) в ОУ с ОСН и резистора обратной связи между выходом и инвертирующим входом в ОУ с TOC (¡О, а также применения одинаковых емкостей частотной коррекции, те R2t=R0„, Clffl=Clcr Петлевые усиления на низких частотах и частоты единичного усиления по петле обратной связи идентичны, если R0H = R2t/KÎ,+„> , CKli = С,,,, где К^ - коэффициент передачи неинвертирующего замкнутого ОУ с ОСН

Установлено, что при R2r =R0„ диапазоны активной работы входных каскадов ОУ одинаковы, а при Cffl = Скт максимальные скорости нарастания выходного напряжения сравниваемых ОУ равны

Выявлено, что ОУ с ОСН может иметь более высокую скорость нарастания выходного напряжения (Э„ыхи) при R0H = R2t и К^ > 1 3ВЬ1Х„/3В1,„Т > 1

Это объясняется тем, что петлевое усиление ОУ с ОСН в данном случае уменьшается и условия обеспечения устойчивости несколько упрощаются -емкость Скн, гарантирующая отсутствие генерации, может быть уменьшена в К ¡п}-раз,что повышает скорость нарастания выходного напряжения ОУ

Предложены и исследованы схемы операционных усилителей с обобщенной токовой обратной связью (рис 5, [11]), в которых при изменении коэффициента передачи (Kyoc=uHl/uBXl) путем регулировки резистора Rf полоса пропускания остается практически неизменной

к f., МГц

32,5

-1—г—1—1—1—г 12345678910

б)

"X^t

К.

1+

Rf

R,

ш. =

CKRS(1 + R2/R,)

а)

25 5 7,5 , Время «Время фронта слада

В)

10

Рис 5 Функциональная схема ОУ с обобщенной ТОС [11] (а), зависимости верхней граничной частоты (б) и времени фронта (в) при изменении Ку ос

Схема ОУ с обобщенной потенциальной обратной связью (рис 6, [12]) также обеспечивает ряд базовых свойств ОУ с ТОС - независимость верхней граничной частоты замкнутого ОУ от коэффициента передачи (К„+)), высокое быстродействие в режиме большого сигнала, без ухудшения симметрии входов Постоянная полоса пропускания обеспечивается за счет коммутации масштабирующего резистора Яо с помощью мультиплексора М1

I--------

Рис 6 Пример практической реализации ОУ с обобщенной потенциальной обратной связью [12] (а) и его частотные характеристики (б)

Предлагается расширенная классификация ОУ с учетом способа введения обратной связи на малом и большом сигналах, полярности входного напряжения [1] Показано, что в более общей классификации ОУ с различными обратными связями в их наименованиях необходимо указывать способ введения обратной связи по основному каналу усиления на малом сигнале (ОСН или ТОС) и по нелинейному параллельному каналу усиления, работающему при перегрузке большим сигналом основного канала (ОСН или ТОС) В этой связи возможны четыре типа обратных связей в решающих усилителях на основе ОУ потенциально-потенциальная (П-П), потенциально-токовая (П-Т), токово-потенциаль-ная (Т-П), токово-токовая (Т-Т) Детальное рассмотрение свойств нелинейных корректирующих цепей показало, что нелинейный параллельный канал, повышающий быстродействие ОУ в режиме большого сигнала, бывает в ряде случаев несимметричным для различных полярностей входного напряжения Поэтому дальнейшим развитием системы классификации и обозначений обратных связей ОУ должны быть признаки, учитывающие способ введения обратной связи (ОСН или ТОС) для положительной (П(+), Т(+)) и отрицательной (П , Тн) полярностей входного сигнала большой амплитуды

В третьей главе предлагаются методики построения комплементарных ДУ с нелинейной коррекцией и архитектуры быстродействующих ОУ без динамической асимметрии на их основе [14]

Показано, что в классической схеме ДУ (УТ2, УТЗ, Я2,1,, \2 - рис. 7а) улучшение крутизны ДУ (Бду) возможно лишь за счет ухудшения его диапазона активной работы (' и1^'), то есть в этой схеме обобщенный показатель качества

= и^1 -Бду нельзя увеличить параметрическим путем. В предлагаемой схеме ДУ [15] (рис. 7а) напряжение ограничения проходной характеристики может достигать значений, близких к напряжению питания (Е^') без существенного уменьшения крутизны ДУ. Поэтому параметр А,*п здесь в -раз лучше, чем аналогичный параметр схемы классического ДУ:

Рис. 7. Схема ДУ без динамической асимметрии по быстродействию [15] (а) и его проходные характеристики (б)

Предложена схема низковольтного быстродействующего токового зеркала (ТЗ) с нелинейным параллельным каналом (рис. 8 [16]), обеспечивающим форсирование переходных процессов на большом сигнале.

а) б)

Рис. 8. Быстродействующий двухтактный промежуточный каскад на основе ТЗ с нелинейным параллельным каналом [16] (а) и его переходный процесс (б)

Предложен вариант динамической линейной коррекции широко распространенной схемы выходного каскада на основе «бриллиантового транзистора» (рис. 9), позволяющей повысить его скорость нарастания выходного напряжения в 20:50 раз [17].

ПТ1 !

10-

С коррекцией, Л... /

=34400В/мкс, Гфр=0,6нс

Г

Без коррекции, эН1л=460В/мкс, (фр=35нс

.¿У I

Без коррекции, Аш=1040В/икс, ^=19нс

С коррекцией, _ ^

Зш=50050В/мкс, ^р=0,4нс

_^Время, мкс

4,025

4,05

4,082

б)

Рис. 9. Способ устранения динамической перегрузки буферного усилителя [17] (а) и его переходный процесс (б)

Исследованы причины низкой надежности быстродействующих ОУ [6], обусловленные длительными перегрузками входного каскада. Установлены энергетические ограничения на максимальные значения частоты единичного усиления и скорости нарастания выходного напряжения быстродействующих ОУ с входными каскадами, имеющими широкий диапазон активной работы: щср ^тю=Рк/(С,тшЕ^), Эвьк <Гтах/Ск.тш =Р,/(Е,С1И), где Рк - допустимая мощность, рассеиваемая в элементах входного каскада за время его перегрузки, Е„ - напряжение питания ОУ, Сктш « 2СП +СБУ - минимально возможное значение емкости корректирующего конденсатора, которое определяется емкостями «коллектор - подложка» (С„) двух выходных транзисторов входного каскада, обеспечивающих перезаряд емкости Ск, а также входной емкостью буферного усилителя (СБУ).

Предложены варианты «интеллектуальной» защиты входного каскада, от длительных перегрузок по току [18], в которых реализована повышенная надежность при сохранении предельно возможного быстродействия, характерного для линейных режимов работы всех его каскадов.

Четвертая глава посвящена исследованию схемотехники ОУ с предельными значениями Гср, предназначенных для работы в структуре аналоговых интерфейсов с глубиной обратной связи до 100% [4].

Минимальная временная задержка сигнала в ОУ прямо пропорциональна количеству транзисторов, участвующих в усилении (без учета эффекта длинных линий). При этом электрическая длина усилителя (в соответствии с определением этого термина для длинных линий) будет определяться как отношение

суммарного времени задержки к периоду усиливаемого сигнала

n=m /

EL= Z тип /Т, где хцп «l/(2nft) - время задержки, обусловленное п-

П=1 /

транзистором в пути прохождения сигнала с частотой единичного усиления по току базы ft, m - общее количество транзисторов Однако, для описания свойств усилителя на архитектурном уровне, более удобным оказывается использование понятия относительная электрическая длина, которая равна отношению суммарной временной задержки усилителя к временной задержке одного транзистора В случае одинаковых временных задержек всех транзисторов, относи-

n=m j

тельная электрическая длина ЕЬЭТ11 = S тздп /тм1 = ш При типовых парамет-

П=1 '

pax передаточной характеристики ОУ с минимальной электрической длиной на основе SiGe технологий института IHP (Ку(0) = 200, f,=100 МГц, f2 = 30 ГГц, f, = 150 ГГц) его запас по фазе может существенно меняться в зависимости от электрической длины (рис 11а) Предложена архитектура дифференциального СВЧ ОУ с минимальной электрической длиной (рис 116)

Рис 11 График изменения запаса по фазе при изменении относительной электрической длины типового СВЧ ОУ (а) и пример реализации СВЧ ОУ (б)

Предложены схемно-топологические способы компенсации паразитных емкостей активных элементов, позволяющие расширить полосу пропускания аналоговых микросхем на основе биполярных микронных технологий ФГУП НПП «Пульсар» в 5-10 раз (рис 12) Так, в схеме рис 12а эффективное значение емкости на подложку С„ уменьшается, при условии r33«Ri Спэф = Cn3(l-a3[R,/(R, +гэ3)]), где а3 =а3/(1 + j<aTa) - комплексный коэффициент передачи по току эмиттера, соа = 1/та - верхняя граничная частота коэффициента усиления по току эмиттера В схеме рис 126, выполняется условие одновременной компенсации для емкостей на подложку и коллектор-база VTT СпН =(Cnl+CK61)(l-a1a2[R1/(R1+r3,)] [R3/(R3+r,2)])

а) б)

Рис. 13. Схема СВЧ ОУ с минимальной электрической длиной и повышенной полосой пропускания (а) и ее сигнальный граф (б)

6,5 43 80 £ МГц

в) г)

Рис. 12. Усилители с компенсацией емкости Сп3 транзистора УТЗ (а), с компенсацией емкостей Ск61 и Сп! транзистора УТ1 (б), сравнительные ЛАЧХ различных каскодных усилителей (в) и топология р-п-р транзистора с собственной компенсацией Сп (г)

Предложен вариант компенсации паразитной корректирующей емкости в схеме СВЧ ОУ с минимальной электрической длиной (рис. 13). Эффект полной компенсации достигается при СК=2СП.

Вых о-

вгК.

кармана и

к,, Дб

Топология с компенсацией С„ и Са

/ \ УОЗ

Разработаны и исследованы схемы и топологии кристаллов операционных усилителей с минимальной электрической длиной (напряжение однополярного питания 4 В, fcp=23 ГГц, 3 В, fcp=17,4 ГГц), полосовой активный фильтр с центральной частотой 2 ГГц, драйвер линии 50 Ом с полосой пропускания 24 ГГц Расчет выполнен с моделями компонентов SiGe технологических процессов SG25H2 и SG13B института 1НР с учетом паразитных параметров топологии кристалла

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований операционных усилителей с повышенным быстродействием (скорость нарастания до 16000 В/мкс [20]) и повторителей напряжения на их основе разработанных по технологии ФГУП НПП «Пульсар» (с минимальным разрешением 1 мкм) Разработанные ОУ соответствуют лучшим зарубежным аналогам фирм Analog Devices, Texas Instruments, выполненных по технологиям с минимальным разрешением 0,25 мкм Разработан комплект СВЧ операционных усилителей (частота единичного усиления до 17 ГГц, с запасом по фазе 47°) и сверхширокополосных инструментальных усилителей на их основе (полоса пропускания 8 ГГц при коэффициенте усиления по напряжению 30 дБ) в базисе компонентов БиКМОП процесса SGB25VD (IHP, Франкфурт на Одере, Германия), который осваивается рядом промышленных предприятий РФ

В щк.иоченни обобщаются основные научные результаты, полученные в диссертационной работе

В приложении представлены акты и рекомендации, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы в промышленность

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Проведен сравнительный анализ современных способов повышения быстродействия операционных усилителей, показана возможность декомпозированного подхода к решению задачи нелинейной динамики ОУ, что позволило разработать рекомендации по проектированию ОУ нового поколения с предельными значениями динамических параметров

2 Предложены структурные методы исключения динамической асимметрии в быстродействующих операционных усилителях, позволяющие приблизить параметры быстродействия ОУ при обработке импульсных входных сигналов различной полярности к предельным значениям

3 Определена взаимосвязь предельных динамических параметров в базовых структурных схемах ОУ с обратной связью по напряжению и ОУ с токовой обратной связью, что позволило выявить существенные признаки данных базовых архитектур ОУ и расширить представление об их возможностях.

4 Разработаны комбинированные способы введения обратных связей, сочетающие преимущества известной токовой обратной связи и обратной связи по напряжению

5 Предложены методики, схемотехника и рекомендации по проектированию операционных усилителей нового поколения с предельными значениями ди-

намических параметров, адаптированные к микронной технологии ФГУП НПП «Пульсар» (г Москва) Предложенные схемотехнические решения открывают широкие возможности для производства конкурентоспособных аналоговых микросхем и позволяют частично решить проблему импортоза-мещения этого класса ИМС с использованием широко распространенных и относительно недорогих микронных технологий

6 Выявлены основные эффекты, влияющие на устойчивость СВЧ ОУ с предельными значениями частоты единичного усиления Разработаны архитектура и схемотехника, а также рекомендации по их проектированию

7 Приведены результаты моделирования (в среде Cadence Virtuoso) операционных 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), который осваивается рядом промышленных предприятий РФ Предложенные схемотехнические решения представляют значительный практический интерес при построении базовых функциональных узлов устройств автоматики и систем передачи информации

Основной список опубликованных работ по теме диссертации

1 Прокопенко, H H Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей / H H Прокопенко, А С Будяков - Шахты Изд-во ЮРГУЭС, 2006 -231 с

2 Пат 2277754 Российская Федерация, Cl, МПК7 H03F 3/45 Способ повышения быстродействия операционных усилителей с непосредственной связью каскадов / Прокопенко H H , Будяков А С , заявитель и патентообладатель Южно-Рос гос ун-т экономики и сервиса - № 2004134291, заяв 24 11 2004, опубл 10 06 2006, Бюл № 16 - 13 с ил.

3 Прокопенко, H H Проблемы проектирования специализированных аналоговых микросхем и аналоговых интерфейсов с предельными значениями динамических параметров / H H Прокопенко, H В Ковбасюк, А С Будяков, В В Крюков // Материалы выездной сессии Секции энергетики Отделения энергетики, машиностроения и процессов управления РАН, Ессентуки, 1215 04 2005 В 2-х ч 4 2/ под ред академика РАН Я Б Данилевича - Шахты Изд-во ЮРГУЭС, 2005 -С 163-174

4 Budyakov, A Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications / A Budyakov, К Schmalz, N Prokopenko, С Scheytt, P Ostrovskyy // «Problems of Modern Analog Circuit Engineering» Materials of VI International Scientific Seminar, ch I / SRSUES - Shakhty SRSUES, 2007 - pp 106-110

5 Prokopenko, NN Architecture of high-speed operational amplifiers with nonlinear correction /NN Prokopenko, A S Budyakov // Proceedings of the 2s4 IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication -Moscow, Russia, June, 2004

6 Прокопенко, Н Н Схемотехнические методы повышения надежности операционных усилителей с предельным быстродействием в режиме большого сигнала / Н Н Прокопенко, А С Будяков, Н В Ковбасюк // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006. Сборник научных трудов / под общ ред Академика РАН А Л Стемпковского - М Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006, С 235-239

7 Prokopenko, N N Problems of designing of operational amplifiers with precision dynamic characteristics / N N Prokopenko, A S. Budyakov // Proceedings of the 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication - Moscow, Russia, June, 2004

8 Прокопенко, H H Динамика микроэлектронных операционных усилителей на основе «перегнутых» каскодов / Н Н Прокопенко, А С Будяков // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион Технические науки -2004 - №6 - С 68-73

9 Прокопенко, Н Н, Предельные динамические параметры операционных усилителей с обратной связью по напряжению и усилителей с «токовой обратной связью» в линейном и нелинейном режимах / Н Н Прокопенко, А С Будяков, Е М Савченко, С В Корнеев // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006 Сборник научных трудов / под общ ред Академика РАН A JI Стемпковского - М Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006, С 229-234

10 Будяков, А С Быстродействующий операционный усилитель с динамической коррекцией переходного процесса // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион Технические науки - 2004 - № 6 -С 206-209

11 Пат 2310267 Российская Федерация, С1, МПК7 H03F 3/45 Широкополосный дифференциальный операционный усилитель / Прокопенко Н Н, Будяков А С , Савченко Е М , заявитель и патентообладатель Южно-Рос гос унт экономики и сервиса - № 2006111965, заяв 10 04 2006, опубл 10 11 2007, Бюл № 31 - 13 с ил

12 Пат 2307393 Российская Федерация, С1, МПК7 G06G 7/12 H03F 3/45 Способ управления коэффициентом передачи решающего усилителя с глубокой отрицательной обратной связью / Прокопенко Н Н , Будяков А С , Крюков С В , заявитель и патентообладатель Южно-Рос гос ун-т экономики и сервиса - № 2006108288, заяв 16 03 2006, опубл 27 09 2007, Бюл. № 27 - 10 с ил

13 Прокопенко, Н Н Операционные усилители с обобщенной потенциальной обратной связью / Н Н Прокопенко, А С Будяков, А В Хорунжий // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА Материалы VI научно-технической конференции - М МНТОРЭС им А С Попова -Владимир, 2007 - 208 с

14 Пат 2248085 Российская Федерация, С1, МПК7 H03F 3/45 Дифференциальный усилитель / Прокопенко Н Н , Будяков А С , Савченко Е М , заяви-

тель и патентообладатель Южно-Рое гос ун-т экономики и сервиса -№ 2003129693, заяв 06 10 2003, опубл. 10 03 2005, Бюл № 7 - 14 с ил

15 Пат 2255417 Российская Федерация, Cl, МПК7 H03F 3/45 Дифференциальный усилитель / Прокопенко H H, Будяков А С, заявитель и патентообладатель Южно-Рос гос ун-т экономики и сервиса - № 2003135804, заяв 09 12 2003, опубл 10 03 2005, Бюл № 18 - 8 с ил

16 Пат. 2309528 Российская Федерация, Cl, МПК7 H03F 3/00 F05F 3/26 Выходной каскад быстродействующего операционного усилителя / Прокопенко H H, Будяков А С, Сергеенко А И , заявитель и патентообладатель Южно-Рос гос ун-т экономики и сервиса - № 2006109621, заяв 27 03 2006, опубл 27 10 2007, Бюл № 30 - 7 с ил

17 Пат 2307456 Российская Федерация, Cl, МПК7 H03F 3/30 3/26 Выходной каскад быстродействующего операционного усилителя / Прокопенко H H, Будяков А С , Крюков С В , заявитель и патентообладатель Южно-Рос гос ун-т экономики и сервиса - № 2006106443, заяв 01 03 2006, опубл 27 09 2007, Бюл № 27 - 9 с ил

18 Пат 2307457 Российская Федерация, Cl, МПК7 H03F 3/45 3/26 Быстродействующий операционный усилитель ! Прокопенко H H , Будяков А С , Крюков С В , заявитель и патентообладатель Южно-Рос гос ун-т экономики и сервиса - № 2006105298, заяв 20 02 2006, опубл 27 09 2007, Бюл № 27 - 12 с ил

19 Пат 2255416 Российская Федерация, Cl, МПК7 H03F 3/45 Операционный усилитель / Прокопенко H H, Будяков А С , заявитель и патентообладатель Южно-Рос гос ун-т экономики и сервиса -№2003129692, заяв 06 10 2003, опубл 27 06 2005, Бюл № 18 - 14 с ил

20 Прокопенко, H H Быстродействующий СВЧ-операционный усилитель с нелинейной токовой обратной связью / H H Прокопенко, А С Будяков, H В Ковбасюк // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники Труды десятой международной научной конференции и школы семинара 4 2 - Таганрог, 2006 -С 161-164

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве

[1] - описание алгоритмов работы, разработка принципиальных схем и компьютерное моделирование проходных, частотных характеристик и переходных процессов, [14-16] - архитектура, схемотехника и анализ основных параметров дифференциальных каскадов с нелинейной коррекцией, компьютерное моделирование проходных характеристик, [6] - вывод и анализ формул для основных параметров входных каскадов быстродействующих ОУ, связывающих их энергетические и динамические параметры, [4] - анализ эффекта длинных линий в СВЧ ОУ, разработка архитектуры, принципиальных схем и топологий кристаллов микросхем, [2, 3, 5, 7, 8, 11-13, 17-19, 20] - разработка и анализ принципиальных схем ОУ, моделирование их основных параметров, [9] - классификации архитектуры операционных усилителей, анализ работы схем

ИД №06457 от 19 12 01 г Издательство ЮРГУЭС Подписано в печать 23 05 2008 г Формат бумаги 60x84/16 Уел п л 1,3 Гираж 100 экз Заказ № 200

ПЛД №65-175 от 05 11 99 г Типография Издательства ЮРГУЭС 346500, г Шахты, Ростовская обл, ул Шевченко, 147

Введение.

1. Основные динамические параметры и характеристики бьшгродействующих операционных усилителей с прецизионными динамическими характеристиками.

1.1. Линейные эффекты.

1.2. Нелинейные эффекты.

1.3. Динамика ОУ с квазилинейными входными каскадами.

1.4. Переходные процессы в ОУ при длительном выключении промежуточного каскада.

1.5. Погрешности усиления в ОУ с нелинейными каскадами.

1.6. Выводы.

2. Структурные методы обеспечения динамических параметров операционных усилителей.

2.1. Структурные методы устранения динамической асимметрии быстродействующих операционных усилителей.

2.1.1. Рейтинговая оценка динамических параметров входных каскадов.

2.1.2. Архитектура сверхбыстродействующих ОУ.

2.2. Быстродействующие ОУ на основе «перегнутых» каскодов.

2.3. Операционные усилители с аддитивной нелинейной коррекцией.

2.4. Сравнительный анализ предельных динамических параметров.

2.4.1. Существенные нелинейности входных каскадов.

I 2.4.2. Обобщенные функциональные схемы сравниваемых операционных усилителей.

2.4.3. Параметры ОУ при одинаковых усилениях без обратной связи.

2.4.4. Параметры ОУ при одинаковых петлевых усилениях.

2.4.5. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения в нелинейных режимах.

2.4.6. Быстродействие в линейных режимах.

2.4.7. Частотные характеристики в режиме неинвертирующих усилителей.

2.4.8. Частотные характеристики в режиме инвертирующих усилителей.

2.4.9. Влияние малых постоянных времени.

2.5. Операционные усилители с обобщенной токовой обратной связью.

2.5.1. Основные свойства и характеристики.

2.6. Быстродействующий ОУ с обобщенной потенциальной обратной связью.

2.7. Проблемы терминологии и условных обозначений.

2.7.1. Расширенная классификация ОУ.

2.7.2. Выбор параметров линейной и нелинейной обратных связей.

2.7.3. Архитектура ОУ с двумя параллельными четырехполюсниками обратной связи.

2.8. Выводы.

3. Основы схемотехники базовых функциональных узлов операционных усилителей.

3.1. Нелинейная коррекция в комплементарных дифференциальных усилителях.

3.2. Квазилинейные дифференциальные усилители без динамической асимметрии.

3.3. Повторители тока с нелинейным параллельным каналом.

3.4. Выходные каскады на основе «бриллиантового» транзистора.

3.5. Энергетические ограничения для входных каскадов

ОУ с предельным быстродействием.

3.6. Выводы.

4. Схемотехника операционных усилителей с предельным малосигнальным быстродействием.

4.1. Влияние временной задержки на запас по фазе операционного усилителя.

4.2. Анализ расположения полюсов перспективных подсхем ОУ с минимальной электрической длиной.

4.3. Сравнение частотных характеристик ОУ с минимальной электрической длинной.

4.4. Низковольтный р-п-р/п-р-п ОУ с минимальной электрической длиной.

4.5. Применение p-n-p/n-p-n ОУ с минимальной электрической длиной.

4.6. Применение цепей компенсации паразитных емкостей.

4.7. Выводы.

5. Экспериментальные исследования быстродействующих операционных усилителей и устройств автоматики на их основе.

5.1. Быстродействующий ОУ на основе «перегнутого» каскода.

5.2. Быстродействующий операционный усилитель с нелинейной токовой обратной связью.

5.3. Инструментальные сверхширокополосные усилители.

5.4. Выводы.

Одним из способов повышения качественных характеристик интегральных микросхем (ИМС) является ужесточение технологических норм их производства. Этот путь развития показал высокую эффективность в цифровой технике, в то время, как уменьшение технологических норм в аналоговых ИМС менее 0,35 мкм стало приводить к ухудшению их основных характеристик. Технология 90 нм позволяет выпускать высокопроизводительные цифровые системы, но менее эффективна при построении аналоговых ИМС. Однако, сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) типа «система на кристалле» требует все более широкополосных (как в режиме малого, так и большого сигнала) аналоговых интерфейсов, также существует потребность в аналоговых ИМС для построения специализированных систем управления.

Микросхемы современных операционных усилителей (ОУ) и интерфейсных устройств на их основе представляют собой достаточно сложные нелинейные динамические системы. Большинство современных быстродействующих ОУ ведущих микроэлектронных фирм, в т.ч. российских, характеризуются средними значениями максимальной скорости нарастания выходного напряжения (100^-500 В/мкс). Это обусловлено нерациональным построением их архитектуры, а также схемотехники входного, промежуточного и выходного каскадов, которым присущи нелинейные режимы работы.

Дальнейшее улучшение динамических параметров ОУ зависит не только от достижений в области полупроводниковых технологий, но и от их структурных и схемотехнических решений. Прежде всего, это применение перспективных функциональных узлов, в частности, входных каскадов с цепями нелинейной коррекции, новых архитектурных решений ОУ с минимальным числом каскадов, алгоритмов! исключения'динамической перегрузки каскадов ОУ и способов введения обратных связей.

Задача обеспечения предельного быстродействия ОУ (максимальной скорости нарастания выходного напряжения - 9ВЬ1Х, времени установления для заданной зоны динамической ошибки (tycr) по обеим полярностям выходного сигнала, частоты единичного усиления - fcp) сводится к решению двух актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники:

- Разработке перспективных методов расширения диапазона активной работы основных каскадов'ОУ нового поколения или исключение его влияния [1, 2] на динамические параметры.

- Повышению частоты единичного усиления ОУ [3, 4, 5], при необходимом запасе устойчивости.

Последние достижения в области технологий с транзисторами на основе гетеропереходов кремний-германий (SiGe) в ведущих микроэлектронных фирмах и научно-исследовательских институтах (например, IHP, Германия [3], Texas Instruments, США [6], STMicroelectronics, Франция [7, 8], Analog Devices, США [9]) показали возможность создания операционных усилителей с частотой единичного усиления единицы-десятки гигагерц. Для построения таких СВЧ ОУ, необходимо исследовать специальную схемотехнику, обеспечивающую предельные динамические параметры в режиме малого сигнала. Разработка СВЧ ОУ создает предпосылки обеспечения многофункциональной аналоговой элементной базой для перспективных систем передачи информации и управления при существующем на сегодняшний день уровне развития SiGe технологий.

Отечественный опыт позволяет сделать вывод, что в случае разработки адаптированной к конкретному производству ИМС схемотехники существует возможность построения ряда конкурентоспособных аналоговых ИМС и IP-блоков [10] на базе существующих российских биполярных микронных технологий, в частности ФРУП НПП «Пульсар» (г. Москва).

Прикладные вопросы нелинейной динамики применительно к построению широкополосных аналоговых и аналогово-цифровых устройств рассматривались в исследованиях научной школы д.т.н., проф. Анисимова В.И., д.т.н., проф. СмоловаВ.Б., д.т.н., проф. УгрюмоваЕ.П. (СПбЭТУ), д.т.н. проф. Волгина Л.И. (Ульяновский государственный технический университет), к.т.н. Матавкина В:В! (РЗПП «Альфа», Латвия), д.т.н., проф. Прокопенко Н.Н. (ЮРГУЭС), а также зарубежных специалистов'Ivanov V.V. (Texas Instruments, USA), Farhiood Moraveji (Micrel, USA) и др. Декомпозированный подход к решению задач повышения быстродействия ©У был описан в публикациях проф. Анисимова В.И. [11], проф. Прокопенко Н.Н. [12] и др. Преемственность, использованных в диссертации! методов подтверждена1 в публикациях автора [ 1, 4, 13-15].

Целью*работы являетсяшсследование и дальнейшее развитие архитектурных и схемотехнических способов повышения-быстродействия ОУ нового поколениям линейных и нелинейных режимах, разработка методов, позволяющих приблизить, быстродействие ОУ в режиме больших импульсных сигналов к предельному, характерному для линейных режимов, получить предельное значение,частоты единичного усиления.

Достижение указанной^ цели предполагает;решение следующих основных задач:

1. Провести сравнительный анализ современных способов? повышения? быстродействия ОУ в линейных и нелинейных режимах, исследовать эффекты, возникающие при динамической перегрузке основных функциональных узлов с целью определения«рекомендаций^ по проектированию быстродействующих ОУ с предельными значениями динамических параметров.

2. Разработать структурные методы исключения динамической; асимметрии; в быстродействующих ОУ с целью обеспечения» предельного, быстродействия ОУ прш обработке импульсных входных сигналов различной: полярности.,

3; Провести сравнительный» анализ; динамических! параметров« решающих усилителей на основе ОУ с обратной связью по напряжению (ОСН) и ОУ с так называемой; токовой обратной связью (TOG) в режимах, малого и большого сигналов с целью, выявления существенных признаков данных базовых архитектур ОУ и определению их предельных характеристик.

4. Разработать комбинированные способы введения обратных связей, сочетающие преимущества известной токовой обратной связи и обратной связи по напряжению.

5. Разработать новые принципы и алгоритмы нелинейной коррекции применительно к базовым- подсхемам быстродействующих ОУ,. позволяющие повысить скорость нарастания выходного напряжения в? ОУ на: основе отечественных микронных технологий (ФРУП НЛП «Пульсар»).

6. Исследовать и разработать схемотехнику ОУ с предельным малосигнальным быстродействием, устойчивых при введении 100%-й обратной связи. В настоящей работе предлагаются архитектурные и схемотехнические методы достижения предельных динамических параметров операционных усилителей, адаптированные к биполярной комплементарной микронной технологии ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва) и СВЧ технологиям SiGe БиКМОП разработанным в научно-исследовательском, институте IHP (г. Франкфурт на Одере, Германия).

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов; сформулированных в диссертации, подтверждается результатами математического анализа, включая анализ набора практических схем, логическими выводами, компьютерным моделированием, экспериментальными исследованиями опытных образцов, актами внедрения, публикациями, патентами, апробацией работы на международных, всероссийских и внутривузовских научно-технических конференциях и семинарах, научно-технических выставках инновационных работ.

Диссертация состоит из введения; пяти глав и заключения; изложенных на 180 страницах текста, иллюстрированного графиками и рисунками, библиографического списка; приложения;

Основные результаты диссертационной работы формулируются следующим образом:

1. Проведен сравнительный анализ современных способов повышения быстродействия операционных усилителей, показана возможность декомпозированного подхода к решению задачи нелинейной динамики операционных усилителей, что позволило разработать рекомендации по проектированию ОУ нового поколения с предельными значениями динамических параметров.

2. Предложены структурные методы исключения динамической асимметрии в быстродействующих операционных усилителях, позволяющие приблизить параметры быстродействия операционных усилителей при обработке импульсных входных сигналов различной полярности к предельным значениям.

3. Определена взаимосвязь предельных динамических параметров в базовых структурных схемах ОУ с обратной связью по напряжению и ОУ с токовой обратной связью, что позволило выявить существенные признаки данных базовых архитектур ОУ и расширить представление об их возможностях.

4. Разработаны комбинированные способы введения обратных связей, сочетающие преимущества известной токовой обратной связи и обратной связи по напряжению.

5. Предложены методики, схемотехника и рекомендации по проектированию операционных усилителей нового поколения с предельными значениями динамических параметров, адаптированные к микронной технологии ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва). Предложенные схемотехнические решения открывают широкие возможности для производства конкурентоспособных аналоговых микросхем и позволяют частично решить проблему импортозамещения этого класса интегральных микросхем с использованием широко распространенных и относительно недорогих микронных технологий.

6. Выявлены основные эффекты, влияющие на устойчивость СВЧ операционных усилителей с предельными значениями частоты единичного усиления. Разработаны архитектура и схемотехника, а также рекомендации по их проектированию.

7. Приведены результаты моделирования (в среде Cadence Virtuoso) операционных 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), который осваивается рядом промышленных предприятий РФ. Предложенные схемотехнические решения представляют значительный практический интерес при построении базовых функциональных узлов устройств автоматики и систем передачи информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Прокопенко, H.H. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей Текст. : монография / H.H. Прокопенко, A.C. Бу-дяков Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.

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

3. Спецификации микросхем ths4302, ths4303 Электронный ресурс. / Сайт корпорации Texas Instruments Режим доступа : www.ti.com, свободный.

4. Voinigescu, S.P. et al., Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth Text. / S.P. Voinigescu // IEEE CSICS, Techn. Digest, Nov. 2005, pp. 283-286.

5. Voinigescu, S.P. SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz Text. /S.P. Voinigescu et al. // IEEE BCTM, 0ct.2006, pp. 1-8.

6. Спецификации микросхем AD8003, AD8045 Электронный ресурс. / Сайт корпорации Analog Devices — Режим доступа : www.analog.com, свободный.

7. Нему дров, В.Г. Системы на кристалле. Проектирование и развитие Текст. / В.Г. Немудров, Г. Мартин. М.: Техносфера, 2004. - 216 с.

8. Анисимов, В.И. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов Текст. : монография / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. Л., 1979. - 148 с.

9. Прокопенко, Н.Н. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах Текст. : монография / Н.Н. Прокопенко. Ростов н/Д.: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. -224 с.

10. Prokopenko, N.N. Architecture of high-speed operational amplifiers with nonlinear correction Text. / N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov // 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication. Moscow, Russia, June, 2004.

11. Prokopenko, N.N. Problems of designing of operational amplifiers with precision dynamic characteristics Text. / N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov // 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication. Moscow, Russia, June, 2004.

12. Прокопенко, Н.Н. Динамика микроэлектронных операционных усилителей на основе «перегнутых» каскодов Текст. / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2004. - № 6. - С. 68-73.

13. Полонников, Д.Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника Текст. : монография / Д.Е. Полонников. М., 1983. -216 с.

14. Матавкин, B.B. Быстродействующие операционные усилители Текст. : монография / В.В. Матавкин. М.: Сов. Радио, 1989.

15. Прокопенко, H.H. Вопросы проектирования входных каскадов микроэлектронных операционных усилителей Текст. / Прокопенко Николай Николаевич: автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.: ЛЭТИ, 1975. -273 с.

16. Алексеенко, А.Г. Макромоделирование аналоговых интегральных микросхем Текст. / А.Г. Алексеенко, Б.И. Зуев, В.Ф. Ламекин, И.А. Романов. -М.: Радио и связь, 1983. 248 с.

17. Алексеев, А.Г. Операционные усилители и их применение Текст. / А.Г. Алексеев, Г.В. Войшвило. -М.: Радио и связь, 1989. 119 с.

18. Современные линейные интегральные микросхемы и их применение Текст. / пер. с англ.; под ред. М.В. Гальперина. М. : Энергия, 1980. -272 с.

19. Mancini, R. Anatomy of a current-feedback OP Amp Электронный ресурс. / Электронный журнал EDN, December, 2005. Режим доступа : http://www.edn.com/article/CA6288054.html, свободный.

20. Mancini, R. Anatomy of a voltage-feedback OP Amp Электронный ресурс. / Электронный журнал EDN, October, 2005. Режим доступа : http://www.edn.com/article/CA6275426.htm], свободный.

21. Виноградов, Р.Н. Быстродействующие операционные усилители с обратной связью по току и напряжению Текст. / Р.Н. Виноградов, Д.Л. Ксенофонтов // Chip News, 1996. № 8. - С. 25-27.

22. Херпи, М. Аналоговые интегральные схемы Текст. / М. Херпи. М. : Радио и связь, 1983. - 416 с.

23. Current Feedback Loop Gain Analysis and Performance Enhancement, Application Note AN-012782, OA-13 Электронный ресурс. / Сайт компании National Semiconductor, 1993. Режим доступа : www.national.com, свободный.

24. Development of an Extensive SPICE Macromodel for Current-Feedback Amplifiers. National semiconductor, Application Note 840 Электронный ресурс. / Сайт компании National Semiconductor, 1992. Режим доступа : www.national.com, свободный.

25. Банк, М.У. Аналоговые интегральные схемы в радиоаппаратуре Текст. / М.У. Банк. М. : Радио и связь, 1981. - 136 с.

26. Шкритек, П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике Текст. / П. Шкритек ; перевод с нем. И.Д. Гурвица. М. : Мир, 1991. - 446 с. : ил. - Перевод изд. : Handbuch der Audio-Schalttungstechnik / Paul Skritek, Franzis, 1988.

27. Савенко, С. Усилители с токовой обратной связью Текст. // Современная электроника. 2006. - № 2. - С. 18-23.

28. Takeda; Isoshi, et al. Current mirror circuit operable with a low power supply voltage. US patent № 5.357.188, 323/315.

29. Graeme, et al. Folded-cascode amplifier stage. US patent № 5.907.262, 330/255.

30. Graeme. High-gain common-emitter output stage. US patent № 5.736.902, 330/296.

31. A.JI. Стемпковского. М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006, С. 235-239.

32. А. С. 970638 СССР, МКИ3 H03F 3/45. Операционный усилитель Текст. /

33. B.C. Рысин, В.А. Ткаченко (СССР). № 3227497 ; заявл. 29. 12. 80 ; опубл. 30. 10. 82, Бюл. № 40. -4с.: ил.

34. Bruce Carter, Using high-speed op amps for high-performance RF design, Part 1 Электронный ресурс. / Сайт корпорации Texas Instruments, 2Q, 2002. Режим доступа : http://focus.ti.com/lit/an/slytl21/slytl21.pdf, свободный.

35. Bruce Carter, Using high-speed op amps for high-performance RF design, Part 2 Электронный ресурс. / Сайт корпорации Texas Instruments, 3Q, 2002. Режим доступа : http://focus.ti.com/lit/an/slytll2/slytll2.pdf, свободный.

36. National-Semiconductor Application Note OA-11, A Tutorial on Applying OpAmps to RF Applications Электронный ресурс. / Сайт ком пании National Semiconductor, September, 1993. Режим доступа : — http://www.national.com/an/OA/OA-ll.pdf, свободный.

37. Johns, D. Analog Integrated Circuit Design Text. / D. Johns, K. Martin. -Wiley & Sons, 1997. 720 p.

38. John D. Cressler, SiGe HBT Technology: A New Contender for Si-Based RF and Microwave Circuit Applications Text. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 46, NO. 5, May 1998.

39. J. Pozela, Physics of High-Speed Transistors Text. / J. Pozela. Springer; 1 edition, 1993.-355 p.

40. Huijsing, Johan H. Operational Amplifiers: Theory and Design Text. / Johan H. Huijsing. Springer, 2000 - 484 p.

41. Ivanov, V.V. Operational amplifier speed and accuracy improvement. Analog Circuit Design with Structural Methodology Text. / V.V. Ivanov, I.M. Fila-novsky. Kluwer Academic Publishers, 2004. - 210 p.

42. Heinemann, B. Complementary SiGe BiCMOS Text. / B. Heinemann et al. // Electrochemical Society Proceeding, vol. 2004-07, pp.25-31.

43. Ежегодный отчет о проделанной научной работе института Инновационной микроэлектроники (IHP GmbH) Электронный ресурс. / Сайт института Innovation for High Performance, 2006 г. Режим доступа : http://www.ihp-microelectronics.com, свободный.

44. Prokopenko, N.N. Architecture and Circuit Engineering of Precision Deferential Amplifiers with Increased Common-Mode Rejection Text. N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov, S.V. Kryukov // Proc. IEEE ICCSC, July 2006, pp.159-164.

45. Texas Instruments Application Note SLOA064, A Differential Op-Amp Circuit Collection Электронный ресурс. / Сайт корпорации Texas Instruments, July, 2001. Режим доступа : http://focus.ti.com/lit/an/sloa064/sloa064.pdf, свободный.

46. Крутчинский, С.Г. Структурный синтез аналоговых электронных схем Текст. : монография / С.Г. Крутчинский. Ростов н/Д.: Изд-во СевероКавказского научного центра высшей школы, 2001. - 185 с.

47. Будяков, A.C. Быстродействующий операционный усилитель с динамической коррекцией переходного процесса Текст. / A.C. Будяков // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2004. - № 6. - С. 206-209.