автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Теория, принципы и методы нелинейной активной коррекции прецизионных аналоговых микроэлектронных устройств автоматики

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА

На правах рукописи

ПРОКОПЕНКО НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

ТЕОРИЯ, ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ НЕЛИНЕЙНОЙ АКТИВНОЙ КОРРЕКЦИИ ПРЕЦИЗИОННЫХ АНАЛОГОВЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ

Специальности:

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

езкли^'м: г

(решена о;

Диссертация Ц виде научи шел я оклада

II Нг'гт .■■ -г-;..-"."......ЬАУ, России

на с о и с к а ий е у ч е но и степени

доктора технических наук

Шахты 2000

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

В О Л Г И н Л. И.

доктор технических наук, профессор ДИДЕНКО В.И.

доктор технических наук, профессор, САМОЙЛОВ Л.К.

Ведущая организация: Научно-исследовательский электро-

механический институт (г.Москва)

Защита состоится "21 " I 2_ 2000г. в (О часов на заседании диссертационного совета Д 063.13.01 при Таганрогском государственном радиотехническом университете по адресу: г.Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана "2.0 " / 2. 2000 г.

совета,

Чефранов А.Г.

1 Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Для современной науки и техники характерно опережающее развитие средств цифровой обработки информации, в то время как физический макромир, его контролируемые и измеряемые параметры в подавляющем большинстве связаны не с цифровыми, а с аналоговыми процессами.

Внедрение субмикронной технологии в микроэлектронике показало, что в отличие от цифровых микросхем, где уменьшение технологических норм привело к существенному повышению скорости обработки данных при некотором снижении потребляемой мощности, в аналоговых устройствах этого результата достигнуть не удалось. Диспропорции в развитии цифровой и аналоговой электроники в ближайшее время, по-видимому, сохранятся, и относительно высокая стоимость аналоговых интерфейсных микросхем станет определять цену многих радиоэлектронных систем. В этой связи актуальной остается задача создания и проблемно-ориентированной и многофункциональной аналоговой и аналогово-цифровой элементной базы, а также разработка соответствующей схемотехники.

Основу современных аналоговых электронных устройств автоматики (ЭУА) составляют классические (базисные) каскады на биполярных транзисторах (БТК) - дифференциальные (ДУ) и каскодные (КУ) усилители, усилители с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК). Работа БТК в режиме большого сигнала связана с существенно нелинейными режимами, ухудшающими основные динамические параметры аналоговых микросхем. Проблема повышения быстродействия аналоговых устройств в нелинейных режимах занимает одно из центральных мест в теории и практике современной микросхемотехники [1].

Классические методы построения наиболее распространенных прецизионных аналоговых микросхем (АМ) - операционных усилителей (ОУ), компенсационных стабилизаторов напряжения (КСН), активных преобразователей амплитудных значений (АПАЗ), НЧ-усилителей мощности и др., не позволяют создавать аналоговые устройства с высокими динамическими параметрами в режиме большого сигнала. Это ограничивает области применения многих АМ и является одним из факторов, отрицательно влияющих на эффективность их использования в современных системах автоматического управления [1, 2, 3]. Динамическая перегрузка функциональных узлов ОУ приводит к уменьшению площади усиления, деформации амплитудно-частотных характеристик, снижению на один-два порядка максимальной скорости нарастания выходного напряжения, увеличивает нелинейные искажения сигнала, порождает ряд других отрицательных факторов и негативных явлений.

Требования высокого быстродействия и высокой статической точности в значительной мере противоречивы. Так, повышение быстродействия операционных усилителей в рамках традиционной схемотехники неизбежно сопровождается ухудшением статических параметров - э.д.с. смещения нуля и

его дрейфа, коэффициента ослабления синфазных входных сигналов, шумов, дифференциального коэффициента усиления, увеличением потребляемой мощности и т.п. Указанные технические противоречия могут быть разрешены за счет целенаправленного введения в микросхемы некоторой структурной избыточности - активных нелинейных корректирующих цепей, исключающих или существенно ослабляющих влияние динамической перегрузки базисных каскадов на их динамические параметры.

Нелинейные корректирующие цепи (НКЦ) позволяют эффективно решать широкий круг задач аналоговой микросхемотехники, однако их практическое построение в каждом конкретном случае связано со значительными творческими усилиями. Это обусловлено слабой изученностью принципов построения нелинейных корректирующих цепей, отсутствием методик их синтеза и формализованных процедур подключения к исходным (базисным) регуляторам и операционным преобразователям [1,2,3,4,5].

Специфика прецизионных аналоговых микросхем состоит в повышенной чувствительности их основных статических параметров (дифференциальный коэффициент усиления, ослабление синфазных сигналов, нестабильность э.д.с. смещения нуля и др.) к дополнительно вводимым элементам, нарушающим симметрию структуры их входного, как правило, параллельно-балансного ДУ [1]. Данное обстоятельство является весьма существенным ограничением на методы построения НКЦ и требует создания специальных схемотехнических приемов, минимизирующих влияние вводимых цепей нелинейной коррекции на свойства базисных каскадов.

Применение нелинейной коррекции является также весьма эффективным средством снижения токов потребления различных функциональных узлов электронных устройств автоматики [1, 2, 3]. Это объясняется тем, что подсхема НКЦ может не потреблять ток в статическом режиме, но в то же время обеспечивает большие приращения тока в нагрузке во время переходного процесса в режиме ограничения базисного каскада. Создание микромощных аналоговых устройств - одно из важных направлений использования НКЦ.

Прикладные вопросы нелинейной коррекции применительно к аналоговым устройствам автоматики рассматривались в исследованиях Попова А.Е., Пальтова И.П., Хлыпало Е.И., Полонникова Д.Е., Полянина К.П., Букреева С.С., Мкртчяна Ж.А., Волгина Л.И., Анисимова В.И., Капитонова М.В., Соколова Ю.М., Исакова А.Б., Югая В .Я., Рогача А.И., Ясюкевича Н.И., Старченко Е.И., Манжулы В.Г. и др.

Развитие ЭУА приводит к необходимости разработки общих подходов к построению НКЦ. Это в принципе возможно, если создать единую теорию, принципы и методы нелинейной коррекции базисных транзисторных каскадов, из которых строятся любые аналоговые устройства. Создание такой теории позволит перейти от интуитивно найденных единичных схемотехнических решений к целенаправленному применению принципов нелинейной коррекции в любых аналоговых устройствах автоматики, инвариантных их назначению. Анализ эволюции и тенденций развития микросхемотехники аналоговых интегральных схем показывает, что в настоящее время сложились объективные

предпосылки создания широкого спектра микроэлектронных функциональных узлов ЭУА с нелинейной коррекцией.

В связи с вышеизложенным, исследование методов нелинейной активной коррекции базисных транзисторных каскадов и разработка рекомендаций по применению этих каскадов в структуре аналоговых микросхем, работающих в широком диапазоне температур, дифференциальных и синфазных сигналов, представляет собой весьма актуальную задачу современной аналоговой микросхемотехники.

В рамках указанного круга актуальных проблем сформулирована тематика диссертации. Ее основные результаты получены в процессе проведения 22 НИР, выполнявшихся при непосредственном участии автора и в большинстве работ под его научным руководством по договорам с научно-исследовательскими организациями и промышленными предприятиями страны, связанных с созданием и совершенствованием микроэлектронной элементной базы нового поколения.

Диссертационные исследования выполнялись в С.-ПбГЭТУ (ЛЭТИ) (г. Санкт-Петербург), ТРТУ (г. Таганрог), ЮРГУЭС (г. Шахты) по 22 хоздоговорным НИР. Из них 16 работ - по особо важной тематике: целевым программам Минвуза РСФСР «ГТьезо-РВО» (1978 г.); постановлению СМ СССР № 132 от 17.02.76; постановлению СМ СССР № 487-167 от 1.06.83; постановлению СМ СССР № 633 (1985 г.); постановлению ГКНТ СССР № 766/164/133 от 30.08.88; постановлению СМ СССР № 972 от 5.08.88 г., постановлению СМ СССР № 670 от 16.07.85, приказу Минбыта РСФСР № 106 от 13.03.87, Комплексным целевым программам МЭП СССР «Енисей-80», «Енисей-85», «Енисей-90»; целевой программе «Дон»; целевой программе Госкомобразования СССР «Интеллектуальные системы» (приказ № 701 от 30.08.89); целевой программе «Электровоз»; планам важнейших НИР СевероКавказского научного центра высшей школы на 1981-92 гг., а также в рамках программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» (проект 15.01.11 "Аналоговые интерфейсные БИС измерительных и управляющих систем").

Цель и задачи работы.

Целью настоящей диссертационной работы является создание теории, принципов и методов построения активных нелинейных корректирующих - цепей, позволяющих приблизить быстродействие аналоговых микросхем в режиме большого сигнала к малосигнальному быстродействию без существенного увеличения энергопотребления и сохранении статических параметров на высоком уровне.

Работа связана с совершенствованием микроэлектронной аналоговой элементной базы современных устройств автоматики, информационно-измерительной техники, радиотехники и служит решению проблем по ряду выполнявшихся в 1971-1995 гг. и выполняющихся в настоящее время целевых научно-технических программ МЭП СССР, Минвуза РСФСР, Госком -образования СССР, ГКНТ СССР, Минобразования России.

Основные задачи диссертации:

• Комплексное исследование нелинейной динамики аналоговых микросхем основных классов и разработка общих рекомендаций по повышению их быстродействия при ограничениях на потребляемую мощность и статическую точность.

• Поиск общих принципов построения, создание алгоритмов и правил синтеза нелинейных корректирующих цепей базисных транзисторных каскадов в режиме большого сигнала, инвариантных основным классам аналоговых микросхем.

• Разработка методов построения функциональных узлов нелинейных корректирующих цепей.

• Разработка схемотехники аналоговых микросхем нового поколения с нелинейными корректирующими цепями.

• Создание библиотеки стандартных функциональных узлов аналоговых микросхем для их реализации на основе базовых матричных кристаллов.

Методы исследования.

В работе используются основные положения современной теории электронных схем, теория обобщенных сигнальных графов и ее приложения к анализу электронных устройств в нелинейных режимах, методы параметрической оптимизации, а также ряд методик, опирающихся на эвристические подходы к синтезу аналоговых устройств, которые хорошо апробированы в практических разработках. При исследовании переходных процессов в нелинейных режимах применялись кусочно-линейные методы, теория автономного многополюсника, а также существующие схемотехнические САПР.

Научная новизна работы.

Разработаны теоретические положения, совокупность которых является основой создания и развития нового, перспективного направления исследований в области микроэлектронной элементной базы автоматики и систем управления, информационно-измерительной техники, радиотехники -теория и микросхемотехника активных нелинейных корректирующих цепей прецизионных аналоговых микросхем и ее приложения к основным классам операционных преобразователей сигналов.

В рамках этого направления автором получены следующие основные научные результаты:

1. Комплексные исследования нелинейных режимов работы аналоговых микросхем основных классов, рейтинг доминирующих факторов, определяющих их динамические свойства в режиме большого сигнала.

2. Обобщенные методы нелинейной активной коррекции основных функциональных узлов прецизионных аналоговых микросхем для устройств автоматики и вычислительной техники.

3. Принципы схемотехнического проектирования аналоговых микросхем с нелинейными корректирующими цепями, детальный анализ динамики аналоговых микросхем с активной нелинейной коррекцией - операционных

усилителей, компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения, активных преобразователей амплитуды импульсного сигнала, усилительных элементов волоконно-оптических линий связи и др.

4. Алгоритмы синтеза нелинейных корректирующих цепей, адаптированные к различным функциональным узлам аналоговых микросхем

5. Правила и схемотехнические приемы построения нелинейных корректирующих цепей основных функциональных узлов аналоговых микросхем.

6. Новое перспективное направление в схемотехнике аналоговых микросхем, которое защищено 130 авторскими свидетельствами и патентами.

Все научные результаты являются оригинальными и слабо пересекаются с результатами зарубежных исследований. Пересекающиеся результаты получены с существенным опережением во времени [1,8-51,99-234].Так, первые зарубежные микросхемы усилителей с нелинейной коррекцией входных каскадов NE 531, NE 538, (Philips), BUF 04 (Analog Devices) созданы соответственно в 1983 и 1993 г.г.

Достоверность результатов, полученных в работе, доказана теоретическими исследованиями, из которых в частных случаях вытекают известные положения микросхемотехники, анализом полученных схемотехнических решений, а также компьютерным моделированием и экспериментальными исследованиями лабораторных макетов и промышленных образцов, созданных при выполнении НИР по заказам промышленности. В большинстве случаев разработанные на основе теории НКЦ устройства и приборы при использовании отечественной технологии и элементной базы имеют более высокие по сравнению с зарубежными аналогами обобщенные качественные показатели, характеризующие группу их статических и динамических параметров (температурный дрейф, ослабление синфазных сигналов, быстродействие и т.д.).

Ряд важных положений диссертации, касающихся предложенных автором в 1972-1983 гг. принципов нелинейной коррекции в операционных усилителях и методов построения широкополосных каскадов с повышенным коэффициентом усиления, подтверждены опубликованными результатами исследований Института проблем управления РАН (д.т.н. Полонников Д.Е.).

Практическая значимость работы и ее реализация.

Предложенные теория и методы активной нелинейной коррекции аналоговых микросхем позволяют создавать различные быстродействующие операционные преобразователи для устройств автоматики и вычислительной техники, обеспечить разработку других высококачественных аналоговых микросхем без дополнительных затрат на освоение новых микроэлектронных технологий.

Результаты исследований нашли применение при проектировании микросхем серий К142, К153, К816, при разработке микросхем 1114ЕУ1, «Енисей ОФ-2», «Енисей С-2», «Енисей И-2», «Енисей И-4», «Енисей ПРВ», «Енисей 2931», «Енисей 4600», «Енисей 6300», «Енисей 723» (НПО «Тор»), а также ряда полупроводниковых усилителей и гибридно-пленочных квантово-

электронных модулей волоконно-оптических линий связи (Рижский НИИ "Микроприбор", Александровский завод полупроводниковых приборов, МНИТИ). Кроме этого, предложенные в работе принципы построения НКЦ использовались в единичных и мелкосерийных изделиях с уникальными характеристиками, реализованных на основе микросборок и базовых матричных кристаллов.

Результаты проведенных исследований имеют практическое значение при проектировании многих классов функциональных узлов ЭУА в микроэлектронном исполнении - различных усилителей и стабилизаторов напряжения, устройств частотной селекции, аналоговых умножителей, пиковых детекторов, схем "выборки-хранения" и других подобных устройств, содержащих перегружающиеся транзисторные каскады. За счет введения НКЦ по предложенным автором правилам улучшаются на один-два порядка такие их параметры, как быстродействие, частотный диапазон, а также уменьшается коэффициент гармоник в режиме большого сигнала.

Предложенные методы нелинейной коррекции классических транзисторных каскадов, принципы построения НКЦ и их функциональных узлов, а также банки типовых подсхем составляют теоретическую и информационную основу схемотехнического синтеза новых технических решений в таких хоро