Метод расширения диапазона рабочих частот истоковых и эмиттерных повторителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метод расширения диапазона рабочих частот истоковых и эмиттерных повторителей

Н.Н. Прокопенко, П.С. Будяков, И.В. Пахомов, В.В. Суворов

Базовым узлом современных аналоговых устройств является широкополосный повторитель напряжения (ШПН) [1-4], который реализуется как схема с общим стоком (на полевых) или как схема с общим коллектором (на биполярных) транзисторах (рис. 1а) и часто используется в выходных каскадах таких распространенных микросхем, как операционные усилители, усилители мощности и т.д. [5-8].

а)б)

Рис. 1. Классический повторитель напряжения с емкостной нагрузкой (а) и схема быстродействующего ШПН на основе каскада с общим истоком (б)

Данная структура широко используется как в аналоговых, так и в цифровых устройствах. В последнем случае ШПН выполняет функции драйвера - каскада управления линиями связи или согласующей цепи. Как правило, нагрузка ШПН содержит активное сопротивление Rн и емкость Сн, отрицательно влияющую на малосигнальный диапазон рабочих частот и быстродействие при импульсном изменении входного сигнала большой амплитуды.

В настоящей статье рассматриваются схемотехнические приемы расширения диапазона рабочих частот классических повторителей напряжения, базирующиеся на эффекте взаимной компенсации паразитных импедансов [9,10].

В первом приближении верхняя граничная частота fв (по уровню -3дБ) истокового повторителя рис. 1а не лучше чем

, (1)

где - постоянная времени цепи нагрузки. Причем

, (2)

где S1 - крутизна входного полевого транзистора VT1; Rн, Сн - эквивалентное сопротивление и емкость нагрузки.

На рис. 1б представлена схема предлагаемого ШПН с повышенным быстродействием [10]. Решаемая им задача - расширение диапазона рабочих частот при наличии емкости на выходе Сн, которая не может быть уменьшена по объективным причинам (является неотъемлемой частью цепи нагрузки, например, пьезокерамического преобразователя и т.п.), а также уменьшение времени установления переходного процесса при импульсном изменении входного напряжения.

Статический режим входного транзистора VT1 в схеме рис. 1б устанавливается (в частном случае) двухполюсником I1. Повторитель напряжения ПН1 с единичным коэффициентом усиления Ку1 и неинвертирующий повторитель тока УТ1 с единичным коэффициентом усиления по току Ki1 в этом случае не влияют на статику схемы.

Изменение входного напряжения передается в цепь нагрузки

, (3)

Где

, (4)

. (5)

Напряжение поступает на выход повторителя напряжения ПН1, что создает входной (), а затем выходной () токи усилителя тока УТ1:

, (6)

, (7)

где - комплекс коэффициента передачи по току неинвертирующего повторителя тока УТ1; - комплекс коэффициента передачи по напряжению дополнительного повторителя напряжения ПН1.

В линейном режиме для комплексов входного () и выходного () напряжений ШПН можно записать следующие уравнения

, (8)

, (9)

Где

- комплекс напряжения затвор-исток полевого транзистора VT1; - комплекс крутизны полевого транзистора VT1; - комплекс эквивалентного сопротивления нагрузки, причем

. (10)

В результате решения уравнений (6)-(9) при =S можно получить, что в схеме ШПН рис. 1б комплексный коэффициент передачи по напряжению определяется уравнением

, (11)

Где

. (12)

Если обеспечить , , то, как следует из (11) и (12), условием уменьшения влияния емкости нагрузки Сн на амплитудно-частотную характеристику ШПН рис. 1б будут равенства

. (13)

повторитель напряжение широкополосный

Следовательно, в первом приближении емкости конденсаторов Ск и Сн должны удовлетворять неравенству СкСн.

Таким образом, в схеме рис. 1б создаются условия для существенного расширения малосигнального диапазона рабочих частот, который на практике будет определяться (или ограничиваться) инерционностью неинвертирующего усилителя тока УТ1 и повторителя напряжения ПН1. Однако, эти функциональные узлы могут быть выполнены на более высокочастотных (чем полевые) биполярных транзисторах, так как для их построения не требуется иметь высокие входные сопротивления и другие свойства, которые недопустимы для входного транзистора VT1 (малый уровень шумов, близкая к нулю входная проводимость, широкий диапазон линейной работы и т.п.).

На рис. 2 показаны логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента передачи по напряжению () ШПН рис. 1б при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Ск. Моделирование проведено в среде Cadence на транзисторах техпроцесса SGB25VD при мкА.

Рис. 2. Логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению () ШПН рис. 1б

Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот предлагаемого ШПН при идеальных УТ1 и ПН1 расширяется до 6,4 ГГц, в то время как верхняя граничная частота классического ШПН (по уровню -3дБ) имеет значение 44 МГц.

На рис. 3 представлен переходной процесс выходного напряжения в ШПН рис. 1б при нарастании входного импульса с амплитудой 1 В и показаны значения времени установления переходного процесса (tуст) на выходе ШПН рис. 1б при изменении емкости корректирующего конденсатора Ск. Данные графики показывают, что в предлагаемой схеме рис. 1б быстродействие увеличивается до 47,5 пс, что в 138 раз лучше, чем в классическом ШПН (т.е. при Ск=0).

Рис. 3. Переходной процесс выходного напряжения ШПН рис. 1б при нарастании входного импульса при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Ск

На рис. 4 показан переходной процесс ШПН рис. 1б при спадающем входном импульсе и приведены значения времени установления переходного процесса (tуст) на выходе ШПН при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Ск.

Рис. 4. Переходной процесс выходного напряжения ШПН при спадающем входном импульсе

Кроме этого, как следует из графиков рис. 3, рис. 4, в схеме рис. 1б при емкостной нагрузке существенно повышается быстродействие в режиме большого сигнала - время установления переходного процесса и скорость нарастания выходного напряжения улучшаются в десятки - сотни раз.

В схемах повторителей напряжения на рис. 5 в качестве входного транзистора используется биполярный n-p-n транзистор VT1 (рис. 5а) и составной p-n-p транзистор VT1 (рис. 5б). Работа данных каскадов также описывается уравнениями (11)(13), в которых необходимо положить

,

Где

- сопротивление эмиттерного перехода транзистора VT1.

а)

б)

Рис. 5. Схема эмиттерного повторителя на биполярном n-p-n (а) и p-n-p (б) транзисторах

Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования показывают, что в схеме рис. 1б решена одна из проблем современной аналоговой микросхемотехники - расширение частотного диапазона и повышение быстродействия истоковых (эмиттерных) повторителей напряжения с емкостной нагрузкой.

Выводы

1. Разработан новый метод расширения диапазона рабочих частот и повышения быстродействия классических повторителей напряжения, работающих на емкостную нагрузку, который базируется на введении специальных цепей активной частотной коррекции.

2. Предлагаемые схемотехнические решения могут быть положены в основу более широкополосных и быстродействующих аналоговых микросхем, реализуемых на основе традиционных технологий их производства.

3. Результаты выполненных исследований дополняют сложившиеся представления разработчиков аналоговых микросхем о методах повышения быстродействия классических каскадов с общим стоком и общим коллектором.

Статья подготовлена в рамках государственного задания Минобрнауки РФ на НИР № 8.3383.2011 (ЮРГУЭС-02.12.ГЗ) «Теоретические основы проектирования нового поколения СФ-блоков систем связи, телекоммуникаций и технической диагностики на основе радиационно-стойких технологий (SiGe, АБМК_1_3/4 и др.)», выполняемой в 2012-2014гг.

Литература

1. Parasitic capacitance cancellation circuit [Текст]: патент США №5.434.446, H01L 2712; H01L 2702, Edward B. Hilton, Robert A. Duris; Original Assignee: Analog Devices, Inc. Filing: Aug 8, 1994, Issue: Jul 18, 1995

2. Parasitic capacitance reduction for passive charge read-out [Текст]: патент США №6.233.012, H04N 314; H04N 964, Roberto Guerrieri, Marco Bisio; Original Assignee: STMicroelectronics, Inc., Filing: Nov 5, 1997, Issue: May 15, 2001

3. Complementary Darlington Emitter Follower with Improved Switching Speed and Improved Cross-over Control and Increased Output Voltage [Текст]: патент США №20120319768, H01L27/082, H03K17/615, H01L27/0823, Casey; David Neil, Original Assignee: Diodes Zetex Semiconductors Limited, Chadderton GB, Filed: December 19, 2011, Issue: December 20, 2012

4. Bidirectional follower for driving a capacitive load [Текст]: патент США № 6043690, H03K 300, Alexander Krymski, Sandor Barna, Barmak Mansoorian; Original Assignee: Photobit Corporation. Filing: March 10, 1998, Issue: March 28, 2000

5. Behzad R. Design of analog CMOS integrated circuits [Текст]: //International Edition. The McGraw-Hill Companies, Inc. - 2001.

6. Close, J. High speed op amps: Performance, process and topologies [Текст]: 2012 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), Sept. 30 2012- Oct. 3 2012, pp.1-8, doi: 10.1109/BCTM.2012.6352648

7. А.Е. Титов, Г.А. Свизев, А.Г. Юдин, Н.Н. Прокопенко Цепи собственной и взаимной компенсации в симметричных каскадах КМОП операционных усилителей [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ magazine/archive/n3y2012/1041 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

8. В.Г. Манжула, И.Б. Пугачев, Н.Н. Прокопенко Вариативный синтез схемы операционного усилителя с пониженным напряжением смещения нуля [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ magazine/archive/n3y2012/1037 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

9. Широкополосный усилитель на основе каскада с общей базой (или с общим эмиттером) [Текст]: заявка на патент РФ; МПК H03F 3/00 / Прокопенко Н.Н., Дворников О.В., Бутырлагин Н.В. - № 2012155404/08; заявл. 19.12.12 (511)

10. Широкополосный повторитель напряжения [Текст]: заявка на патент РФ; МПК H03F 3/50, H03F 3/26, H03F 1/24, H03F 1/36 / Прокопенко Н.Н., Будяков П.С., Пахомов И.В., Суворов В.В. - № 2013107430/08, заявл. 19.02.13 (519)

Размещено на Allbest.ru