CC BY
39ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА INTEGRATED RADIOELECTRONIC DEVICES
Научная статья
УДК 621.3.049.774.3
doi:10.24151/1561-5405-2023-28-1-96-111
Быстродействующие широкополосные операционные усилители на базовом матричном кристалле
О. В. Дворников1, В. А. Чеховский2, Н. Н. Прокопенко3'4,
2 5 2 5 3
Я. Д. Галкин ' , А. В. Кунц ' , В. Е. Чумаков
1ОАО «Минский научно-исследовательский приборостроительный институт», г. Минск, Беларусь
Белорусский государственный университет, г. Минск, Беларусь 3Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия
4Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, г. Москва, Россия
5Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, Беларусь
Аннотация. В квантово-оптических системах, аппаратуре регистрации быстрых импульсов широко используются быстродействующие операционные усилители. Высокий уровень параметров таких изделий обеспечивается за счет применения современных технологических маршрутов изготовления микросхем, содержащих комплементарные биполярные транзисторы с высокой граничной частотой и малой паразитной емкостью коллектора. В настоящее время в России и Беларуси указанные технологические маршруты изготовления микросхем отсутствуют. В работе для удовлетворения существующей потребности отечественного рынка радиоэлектронной аппаратуры представлены два операционных усилителя на базовом матричном кристалле МН2ХА031 с унифицированными каскадами и возможностью изменения параметров с помощью выбора сопротивлений токозадающих резисторов и емкости корректирующего конденсатора. Описаны электрические схемы и приведены результаты схемотехнического моделирования двух изделий: быстродействующего операционного усилителя OAmp9 с произведением коэффициента усиления напряжения на ширину полосы пропускания (gain bandwidth product) более 600 МГц, скоростью нарастания выходного напряжения более 400 В/мкс при статических параметрах, соответствующих операционным усилителям общего применения, и прецизионного малошумящего усилителя 0Amp10 с усилением около 2^10б, напряжением смещения
© О. В. Дворников, В. А. Чеховский, Н. Н. Прокопенко, Я. Д. Галкин, А. В. Кунц, В. Е. Чумаков, 2023
менее 50 мкВ и спектральной плотностью напряжения шума, отнесенной ко входу, около 1 нВ/Гц0,5. Сформулированы направления дальнейшей модернизации разработанных усилителей, в частности уменьшение паразитной коллекторной емкости транзисторов конструктивно-технологическим путем и подачей обратного напряжения смещения, применение нелинейных корректирующих цепей, позволяющих приблизить быстродействие усилителей в режиме большого сигнала к малосигнальному.
Ключевые слова: быстродействующий операционный усилитель, прецизионный операционный усилитель, базовый матричный кристалл, комплементарные биполярные транзисторы
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 22-29-00637).
Для цитирования: Быстродействующие широкополосные операционные усилители на базовом матричном кристалле / О. В. Дворников, В. А. Чеховский, Н. Н. Прокопенко и др. // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 1. С. 96-111. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-1-96-111
Original article
A high-speed broadband operational amplifiers on a master slice array
O. V. Dvornikov1, V. A. Tchekhovsky2, N. N. Prokopenko34, Ya. D. Galkin2'5, A. V. Kunts2'5, V. E. Chumakov3
1 "Minsk Scientific Research Instrument-Making Institute " JSC, Minsk,
Belarus
2
Belarusian State University, Minsk, Belarus
о
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia
4Institute for Design Problems in Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
5Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, Minsk, Belarus
Abstract. High-speed operational amplifiers are widely used in quantum-optical systems and fast pulse recording equipment. High level of parameters of such products is provided due to application of modern technological routes of microcircuits manufacturing, containing complementary bipolar transistors with high cutoff frequency and small parasitic capacitance of collector. Currently there are no above-noted technological routes for microcircuits manufacturing. In this work, to meet the domestic market demand for radioelectronic equipment, two operational amplifiers on a master slice array МН2ХА031 with unified stages and the possibility of changing the parameters by selecting the resistance of current conducting resistors and the capacity of the balancing capacitor are presented. The circuit diagrams are described and the results of circuit modeling of two products are provided: OAmp9 high-speed operational amplifier with gain bandwidth product of over 600 MHz, output voltage rise rate of over 400 V/^s with static parameters corresponding to operational amplifiers of
general application, and OAmp10 low-noise precision amplifier with gain of about 2-106, offset voltage less than 50 цУ and spectral noise floor relative to the input of about 1 nV/Hz05. The directions of further modernization of the developed amplifiers have been formulated, including in particular the reduction of parasitic collector capacitance of transistors by design engineering and reverse bias voltage, the application of nonlinear correction circuits, which allow approaching the amplifiers' performance in a large signal mode to a low-signal mode.
Keywords: high-speed operational amplifier, precision operational amplifier, master slice array, complementary bipolar transistor
Finding: the work has been supported by the Russian Science Foundation (project No. 22-29-00637).
For citation: Dvornikov O. V., Tchekhovsky V. A., Prokopenko N. N., Galkin Ya. D., Kunts A. V., Chumakov V. E. A high-speed broadband operational amplifiers on a master slice array. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 1, pp. 96-111. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-1-96-111
Введение. Быстродействующие широкополосные операционные усилители (ОУ) применяются в системах измерения дальности, лазерных квантово-оптических системах, различной аппаратуре регистрации быстрых импульсов. Существующая потребность рынка в таких устройствах объясняет наличие широкой номенклатуры серийно выпускаемых ОУ, из которых следует выделить малошумящий ОУ AD797; быстродействующий ОУ ADA4857 с обратной связью по напряжению (Voltage Feedback Amplifier), ОУ с токовой обратной связью (Current Feedback Amplifier) и большой скоростью нарастания выходного напряжения (Slew Rate, SL) типа AD8000, AD8007 AD8009 фирмы Analog Devices. Во многих случаях ОУ должны выполнять аналоговую обработку сигналов с малой погрешностью, на которую в области низких частот влияют входной ток IIN, напряжение смещения Voff, коэффициент усиления напряжения KV при разомкнутой цепи отрицательной обратной связи, а в области высоких частот - произведение коэффициента усиления напряжения на ширину полосы пропускания (Gain Bandwidth Product, GBP) для малого входного сигнала и максимальная скорость нарастания выходного напряжения для большого входного сигнала.
Большинство быстродействующих ОУ проектируются на комплементарных биполярных транзисторах [1-3]. Основными конструктивно-технологическими направлениями повышения быстродействия ОУ являются уменьшение паразитной емкости коллектора, например, за счет применения диэлектрической изоляции интегральных элементов (Silicon-On-Insulator, SOI) и увеличение граничной частоты таких транзисторов путем уменьшения размеров эмиттерной области и толщины активной базы, а также использования SiGe-SOI-структур. Так, фирма Analog Devices последовательно улучшала технологический маршрут изготовления быстродействующих ОУ, переходя от типового маршрута изготовления вертикального n-p-n- и горизонтального p-n-p-транзисторов на одной подложке (36V Bipolar) к маршрутам изготовления комплементарных биполярных транзисторов с вертикальными n-p-n- и p-n-p-транзисторами (36V CB), далее с диэлектрической изоляцией элементов (8V XFCB) и диэлектрической изоляцией SiGe-структур (10V XF3) [3]. По маршруту 36V CB изготовлен малошумящий широкополосный ОУ AD797, по маршруту 8V XFCB - быстродействующие ОУ ADA4857,
AD8000, AD8007 AD8009. Перспективным схемотехническим путем увеличения максимальной скорости нарастания ОУ является разработка ОУ с токовой обратной связью. Однако такие ОУ характеризуются низкими значениями KV, высокими IIN, VoFF, поэтому значительные усилия были сосредоточены на совершенствовании схемотехники, улучшающей статические параметры ОУ данного класса [4-7].
При возникшей необходимости создания отечественных быстродействующих ОУ наиболее целесообразно одновременное проведение работ по проектированию быстродействующих ОУ для имеющегося технологического маршрута изготовления комплементарных биполярных транзисторов 3CBiT (ОАО «Интеграл», г. Минск) [8] и модернизация маршрута изготовления микросхем с целью уменьшения паразитной емкости коллектора и увеличения граничной частоты транзисторов. Следует отметить, что относительно невысокая потребность отечественного рынка в быстродействующих ОУ делает актуальным максимальное снижение затрат на разработку и серийное производство таких аналоговых устройств. Для решения данной задачи целесообразно проектирование быстродействующих ОУ на базовом матричном кристалле (БМК) МН2ХА031 [9], изготовленном по маршруту 3CBiT, что позволит:
- обеспечить экономическую эффективность малосерийного производства изделий;
- реализовать при необходимости на одном кристалле различное количество ОУ, в том числе разных типов;
- устанавливать разное сочетание параметров быстродействие / шум / ток потребления / нагрузочная способность путем выполнения разных межсоединений резисторов на кристалле;
- разработать радиационно стойкую версию быстродействующих ОУ [9, 10].
В настоящей работе рассматриваются разработанные на БМК МН2ХА031 две схемы быстродействующих ОУ с унифицированными каскадами и возможностью программирования параметров. В схеме ОУ OAmp9 значительно улучшены динамические параметры SL, GBP, в схеме ОУ 0Amp10 - статические параметры VOFF, KV и шумы.
Особенности элементной базы и моделей транзисторов. БМК МН2ХА031 предназначен для проектирования быстродействующих и радиационно стойких аналоговых микросхем с функциональной сложностью, эквивалентной восьми ОУ общего назначения. Элементная база БМК включает в себя малосигнальные и малошумящие вертикальные n-p—n- и p-n-p-транзисторы; малосигнальные и малошумящие полевые транзисторы, управляемые p-n-переходом, с каналом p-типа; полупроводниковые резисторы четырех номиналов, причем требуемое в схеме сопротивление достигается последовательно-параллельным соединением сформированных резисторов; МОП-конденсаторы. Для элементов БМК имеется апробированная библиотека Spice-параметров. Модели всех активных элементов удовлетворительно описывают изменение ВАХ в диапазоне температур при воздействии гамма-квантов с поглощенной дозой
14 2
до 3 Мрад и флюенса до 10 нейтронов/см .
Известно, что на быстродействие ОУ существенно влияет паразитная емкость, соединенная с коллектором. Для адекватного описания этого влияния созданы модели комплементарных биполярных транзисторов в виде подсхем, в которых паразитная емкость коллектора n-p-n-транзистора (DSnpn) подключена между коллектором и глобальным узлом sub, а p-n-p-транзистора (DWpnp) - между коллектором и узлом wel.
Для n-p-n-транзистора имеем
.SUBCKT npn4pin b c e sub D_D1 B N01 DCnpn
R_RC N01 c 23.81
D_SUB [sub] N01 DSnpn D_D2 B N02 DEnpn
D_D3 N03 N01 DCEnpn
D_D4 N03 N02 DECnpn
R_RE e N02 2.153
Q_Q1 N01 B N02 [sub] npn
.ENDS
Подсхемы моделей с помощью диодов учитывают влияние на ВАХ пробивных напряжений коллекторного (DCnpn) и эмиттерного (DEnpn) p-n-переходов и промежутка коллектор - эмиттер при прямом (DCEnpn) и инверсном (DECnpn) включении. Для упрощения на условном графическом изображении транзисторов четвертый вывод (sub или wel) сделан невидимым. При схемотехническом моделировании глобальные узлы sub и wel соединены с отдельными источниками напряжения (рис. 1, а), что позволяет изучить влияние прямого и обратного напряжения на паразитных коллекторных диодах на ВАХ и быстродействие.
Рис. 1. Схема включения n—p—n-транзистора (а) и результаты моделирования его ВАХ при VSUB = 0 (б) и VSUB = 1 (в): кривые 1, 2, 3 соответствуют IB = 1, 3, 5 мкА Fig. 1. Circuit diagram of n-p-n transistor (a) and results of simulation its voltampere characteristic at VSUB = 0 (b) and VSUB = 1 (c): curves 1, 2, 3 correspond to IB = 1, 3, 5 дА
При Vsub = 0 во всем диапазоне изменения коллекторного напряжения Vc от 0 до 12 В диод коллектор - подложка находится при обратном смещении, чему соответствует типичная ВАХ n-p-n-транзистора в схеме с общим эмиттером (рис. 1, б). Если Vsub = 1 В, то при коллекторном напряжении Vc в диапазоне от 0 до 1 В диод коллектор - подложка находится при прямом смещении и через коллектор протекает большой ток противоположного направления (рис. 1, в). Максимальное значение тока достигается при максимальной величине прямого смещения диода коллектор - подложка, т. е. при Vc = 0.
Результаты схемотехнического синтеза и параметрической оптимизации. Концепция проектирования на БМК ряда ОУ с унифицированными каскадами рассмотрена в [11]. Так, для технологического маршрута изготовления комплементарного биполярного транзистора ATT CBIC V-2 предложен БМК, ориентированный на изготовление четырех быстродействующих ОУ: широкополосного, с малыми погрешностями, с токовой обратной связью и маломощного. Все предложенные ОУ имеют одинаковый блок смещения и почти идентичный выходной каскад, а входной дифференциальный каскад и второй каскад значительно различаются. Уровень шумов всех ОУ, за исключением маломощного, приблизительно одинаковый, полоса пропускания различается почти в два раза. Такой набор схемотехнических решений ОУ избыточен, а полученное сочетание параметров ОУ может не удовлетворить часть потребителей. Поэтому выработан следующий подход:
- разработка двух типов ОУ: быстродействующего OAmp9 с возможностью изменения GBP и запаса по фазе Дф путем выбора емкости корректирующего конденсатора и прецизионного 0Amp10 с большим KV, малым уровнем шумов и Voff, увеличенным значением GBP;
- обеспечение раздельной регулировки основных параметров и нагрузочной способности ОУ в результате изменения сопротивлений двух резистора, в том числе внешних.
Раздельная регулировка параметров и нагрузочной способности предусмотрены для минимизации тока потребления при обеспечении требуемого сочетания быстродействие / шум / максимальный выходной ток. Для обеспечения высокого быстродействия рассматриваемые ОУ выполнены с одним усилительным каскадом и выходным повторителем напряжения, что позволяет обеспечить простую коррекцию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и программирование основных параметров [12, 13]. Разработанные входные дифференциальные каскады (первый каскад) ОУ 0Amp9 и 0Amp10, выходной эмиттерный повторитель (второй каскад) и блок смещения показаны соответственно на рис. 2 и 3.
Каждый ОУ содержит одинаковые по схемотехнике блок смещения и выходной каскад и разные входные дифференциальные каскады. Узлы с одинаковым наименованием (VCC, VEE, Biasn1, Biasn2, Biasp1, Biasp2) внутри ОУ соединены. Выход первого каскада (узел 0u1ST) соединен с входом второго (In2ST). Сопротивление R16 = R44 = 500 Ом для выходного каскада ОУ 0Amp9 и R16 = R44 = 9,5 кОм для ОУ 0Amp10. Программирование параметров каждого входного дифференциального каскада осуществляется в блоке смещения отключением резистора R28, соединенного с узлом Cor1, изменение нагрузочной способности выходного каскада - резистором R32, соединенного с узлом Cor2. По умолчанию R28 = 500 Ом, R32 = 1 кОм, при отключении - R28 = R32 = 1 ГОм. Возможно более плавное изменение параметров каскадов при подключении внешних потенциометров к узлам Cor1, Cor2.
б
Рис. 2. Электрические схемы входного дифференциального каскада ОУ 0Amp9 (а) и 0Amp10 (б) Fig. 2. Electrical circuits of the 0Amp9 (a) and 0Amp10 (b) input differential stage
а
б
Рис. 3. Электрические схемы выходного каскада (а) и блока смещения (б) Fig. 3. Electrical circuits of the output stage (a) and bias stage (b)
а
Блок смещения построен по типовой схеме PTAT-источника тока (Proportional To Absolute Temperature) [14] с цепью запуска на Q1, Q2, R18. Опорный ток блока смещения IREF (эмиттерный ток Q76) определяется выражением
IREF
2ф ln 4
R 20
где фт = kT/q - температурный потенциал; k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q - заряд электрона; R20 - сопротивление резистора R20.
При T = 300 К, фт ~ 26 мВ опорный ток IREF = 481 мкА. При включенных резисторах R28 и R32 эмиттерный ток Q79 равен IREF, эмиттерный ток Q77 равен удвоенному значению IREF. При отключении резисторов R28 и R32 эмиттерные токи Q77, Q79 уменьшаются в два раза. Блок смещения можно значительно упростить, удалив транзисторы Q5-Q8 и Q77-Q80 с их эмиттерными резисторами и соединив базы транзисторов -источников тока в первом и втором каскадах - непосредственно с базами Q3, Q76. Однако в последнем случае для изменения рабочих токов транзисторов первого и второго каскадов необходимо изменить сопротивление нескольких эмиттерных резисторов, что потребует корректировки ряда межсоединений на кристалле и усложнит варьирование режимом работы транзисторов с помощью внешних резисторов.
Входной дифференциальный каскад ОУ 0Amp9 (см. рис. 2, а) представляет собой упрощенный вариант схем, примененных в ОУ 0Amp1, 0Amp2 [8, 10]. В нем для повышения быстродействия значительно увеличены эмиттерные токи входных повторителей напряжения и сопротивление резистора RG, что одновременно привело к некоторому уменьшению KV. В отличие от известного схемотехнического решения ОУ [13] во входном дифференциальном каскаде ОУ 0Amp9 применена следящая обратная связь на транзисторах Q26, Q29, Q46, Q54, поддерживающая практически постоянным напряжение на коллекторах входных транзисторов Q43, Q44, Q34, Q35, что обеспечивает компенсацию эффекта Миллера и существенно уменьшает входную емкость [15]. Емкость корректирующего АЧХ конденсатора C1 выбрана для обеспечения требуемого запаса по фазе при единичном (4,5 пФ) и десятикратном (0,35 пФ) усилении ОУ.
Входной дифференциальный каскад ОУ 0Amp10 (см. рис. 2, б) выполнен по схеме так называемого «перегнутого каскода» (Folded Cascode) с входными n-p-n-транзисторами Q47, Q48, p-n-p-транзисторами Q23, Q24, включенными по схеме с общей базой, и активной нагрузкой в виде «токового зеркала» на Q56, Q66, Q67 [2, 12]. Особенностью дифференциального каскада является применение двух цепей следящей обратной связи:
- цепь Q36-Q38, Q61 стабилизирует коллекторное напряжение входных транзисторов Q47, Q48 и таким образом уменьшает входные емкости прежде всего для входных синфазных сигналов;
- цепь Q57, Q58, Q68 стабилизирует коллекторное напряжение транзисторов Q66, Q67 активной нагрузки, что обеспечивает крайне высокое значение их выходного малосигнального сопротивления, увеличивает KV и уменьшает Voff.
Для изменения численных значений некоторых параметров входного дифференциального каскада в эмиттеры каждого из его входных транзисторов Q47, Q48 (см. рис. 2) часто включаются дополнительные резисторы с сопротивлением R0 [3], которое вместе
с сопротивлением полупроводниковой области эмиттера образует эквивалентное сопротивление RE (на рис. 2 не показано). В этом случае основные параметры ОУ с «перегнутым каскодом» описываются следующими математическими выражениями [3]:
ОБР- 8ш
2nC 2
Smi я
SL GBP
KV ~ gMirY.
V
1 E86
Г Т, V1
2Ф T
« 4пф
1 + -
RE
V Фт у
f V ^ 1 + VRE
Фт
у
где gMI - крутизна входного дифференциального каскада; r^ - суммарное малосигнальное сопротивление всех параллельных цепей, соединенных с высокоимпедансным узлом; IE86 - эмиттерный ток Q86; VRE - падение напряжения на резисторе RE [3]; Re - сопротивление, соединенное с эмиттером Q47, Q48, в частном случае оно может быть сопротивлением полупроводниковой области эмиттера или резистором, подключенным к эмиттеру.
При выборе режима работы транзисторов «перегнутого каскода» необходимо учитывать противоречивое влияние некоторых параметров (например, большое сопротивление Re увеличивает SL, но уменьшает KV, GBP), а также факторы, влияющие на уровень шумов [3]:
- отнесенный ко входу шум ОУ, обратно пропорциональный квадратному корню
из Ie86;
- шумовой вклад резисторов R12, R13, R21, R23, обратно пропорциональный квадратному корню из падения напряжения на них;
- шумовой вклад резисторов RE, прямо пропорциональный квадратному корню из их сопротивления;
- шумовой вклад транзисторов Q66, Q67, прямо пропорциональный квадратному корню из их коллекторного тока.
Так как ОУ OAmplO прежде всего должен обеспечить малый уровень шумов, то выбрано следующее сочетание параметров и режимов работы элементов: IE86 ~ 1,8 мА; отсутствуют эмиттерные резисторы Q47, Q48, сопротивление полупроводниковой области эмиттера уменьшено путем применения многоэмиттерных конструкций Q47, Q48; для уменьшения шумов [3] эмиттерный ток Q23, Q24 значительно меньше (0,28 мА), чем входных транзисторов; для увеличения KV входное сопротивление выходного каскада увеличено почти в 10 раз в результате увеличения сопротивлений R16 = R44 = 9,5 кОм. Отметим, что емкость корректирующего конденсатора С2 выбрана таким образом, чтобы обеспечить требуемый запас по фазе на частоте единичного усиления, т. е. чтобы исключить самовозбуждение при работе ОУ OAmplO с любым коэффициентом усиления. Емкость С2 может быть значительно уменьшена для увеличения GBP, если планируется работа ОУ с коэффициентом усиления более единицы.
На рис. 4-7 и в таблице представлены результаты моделирования основных параметров ОУ.
Рис. 4. Зависимости выходного напряжения VOU от входного VINОУ OAmp9 (а) и OAmplO (б): 1 - R28 = 500 Ом; R32 = 1 кОм; 2 - R28 = R32 = 1 ГОм Fig. 4. Dependences of the output voltage VOU on the input VIN of the operational amplifiers OAmp9 (a) and OAmplO (b): 1 - R28 = 500 Ohm, R32 = 1 kOhm; 2 - R28 = R32 = 1 GOhm
vqu, mB vqu, MB
■4 -3-2-1 0 1 2 vinlst' В -4 -3-2-1 0 1 2 vIN2st- В
а б
Рис. 5. Зависимости выходного напряжения VOU от входного VIN2ST выходного каскада (см. рис. 3, а) при R32 = 1 кОм, R16 = R44 = 500 Ом (а) и R32 = 1 кОм, R16 = R44 = 9,5 кОм (б):
кривые 1, 2, 3 соответствуют сопротивлениям нагрузки 50, 100, 500 Ом Fig. 5. Dependences of output voltage VOU on input vin2st of the output stage (shown in fig. 3, a) at R32 = 1 k0hm, R16 = R44 = 500 0hm (a) and R32 = 1 k0hm, R16 = R44 = 9.5 k0hm (b): curves 1, 2, 3 -
load resistance 50, 100, 500 0hm respectively
vqu, в
-2
-3
/ A y f \ 1 h r 1
........ ........ 2' y 1! ......... .........
II i
fi \ \
1 ; ........;....... \ i \
........ I1 ........ ....... 1 \ ........ \
О
25
50 t, не
Рис. 6. Зависимость выходного напряжения VOU от времени t при включении ОУ OAmp9 как повторителя напряжения и при R28 = 500 Ом, R32 = 1 кОм: кривые 1 и 2 соответствуют емкостям C1 = 0,35 и 4,5 пФ
Fig. 6. Dependence of output voltage VOU on time t when turning on OAmp9 as a voltage repeater and R28 = 500 Ohm, R32 = 1 kOhm: curves 1, 2 correspond to C1 = 0.35, 4.5 pF
Рис. 7. Зависимость выходного напряжения VOu от времени t при включении ОУ OAmplO как повторителя напряжения: 1 - R28 = 500 Ом, R32 = 1 кОм; 2 - R28 = R32 = 1 ГОм Fig. 7. Dependence of output voltage VOU on time t when switching OAmplO as voltage repeater: 1 - R28 = 500 Ohm, R32 = 1 kOhm; 2 - R28 = R32 = 1 GOhm
Результаты схемотехнического моделирования операционных усилителей Results of circuit modeling of the OAmps
OAi mp9 OAn ip10
Параметр R28 = 500 Ом, R32 = 1 кОм R28 = = R32 = 1 ГОм R28 = 500 Ом, R32 = 1 кОм R28 = = R32 = 1 ГОм
Напряжение питания VCC, В -5/5 -5/5 -5/5 -5/5
Ток потребления в режиме холостого хода ICC, мА 11,66 6,53 8,56 4,77
Напряжение смещения нуля VoFF, мВ 1,91 1,41 0,042 0,253
Коэффициент усиления напряжения KV 2,5^03 4,5^03 1,9106 2,3 •Ю6
Входной ток IIN, мкА 2,75 1,43 9,95 4, 95
Произведение коэффициента усиления напряжения на ширину полосы пропускания GBP, МГц 155 /781** 131 /678 * 77* 54*
Минимальный запас по фазе в полосе пропускания Дф, град 51/69** 47*/67** 41* 47*
Скорость нарастания выходного напряжения SL, В/мкс 669*/892*** 439*/469*** 22,1 12,6
Спектральная плотность напряжения шума eN, отнесенная ко входу, нВ/Гц0'5 3,13 3,23 0,99 1,15
*KV = 1, С = 4,5 пФ для OAmp9; ** KV = 10, С = 0,35 пФ; ***KV = 1, С = 0,35 пФ.
Заключение. Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы:
- разработанные ОУ ОАmp9 и ОАmp10 удовлетворяют основным предъявляемым к ним требованиям, а именно: OAmp9 является быстродействующим широкополосным ОУ с GBP > 600 МГц и SL > 400 В/мкс при статических параметрах соответствующих ОУ общего применения (KV > 2^103, VOFF < 2 мВ). 0Amp10 представляет собой прецизионный малошумящий ОУ (KV ~ 2^106, Voff < 0,05 мВ) с расширенной полосой пропускания (GBP > 50 МГц) и спектральной плотностью напряжения шума около 1 нВ/Гц0'5, отнесенной ко входу;
- относительно большой входной ток ОУ 0Amp10 можно уменьшить, применяя типовые схемы компенсации входного тока [16];
- при напряжении источников питания, равном ± 5 В, выходной каскад обеспечивает максимальный диапазон выходного напряжения около ± 3 В для 50-Ом сопротивления нагрузки ОУ OAmp9 и 500-Ом сопротивления нагрузки ОУ OAmp10;
- меняя сопротивление резистора, соединенного с узлом Cor1 в блоке смещения, и конденсатора, корректирующего АЧХ, можно изменять соотношение GBP/SL/ток потребления в широких пределах. Кроме того, изменение сопротивления резистора, соединенного с узлом Cor2 в блоке смещения, позволяет минимизировать ток потребления ОУ при работе в нагрузку с сопротивлением более 1 кОм.
В дальнейшем планируется выполнение ряда работ по модернизации созданных ОУ: конструктивно-технологическое уменьшение паразитной емкости коллектора комплементарных биполярных транзисторов; уточнение Spice-параметров, описывающих паразитные коллекторные емкости; изучение возможности повышения быстродействия ОУ при подаче на подложку и карманы p-n-р-транзисторов (узлы sub, wel) обратного напряжения, превышающего по абсолютной величине соответственно напряжение отрицательного и положительного источников питания; применение нелинейных корректирующих цепей, позволяющих приблизить быстродействие ОУ в режиме большого сигнала к малосигнальному при сохранении энергетических и статических параметров [17].
Литература
1. Smith D., Koen M., Witulski A. F. Evolution of high-speed operational amplifier architectures // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1994. Vol. 29. Iss. 10. P. 1166-1179. https://doi.org/10.1109/4.315199
2. Bowers D. F., Wurcer S. A. Recent developments in bipolar operational amplifiers // Proceedings of the 1999 Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (Cat. No. 99CH37024). Minneapolis, MN: IEEE, 1999. P. 38-45. https://doi.org/10.1109/BIPOL.1999.803521
3. Close J. High speed op amps: performance, process and topologies // 2012 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM). Portland, OR: IEEE, 2012. P. 1-8. https://doi.org/10.1109/ BCTM.2012.6352648
4. Bowers D. F. A precision dual "current feedback" operational amplifier // Proceedings of the 1988 Bipolar Circuits and Technology Meeting. Minneapolis, MN: IEEE, 1988. P. 68-70. https://doi.org/10.1109/ BIPOL.1988.51047
5. Bowers D. F. A 6.8 mA closed-loop monolithic buffer with 120 MHz bandwidth, 4000 V//spl mu/S slew rate and /spl plusmn/12 V signal compatibility // Proceedings of IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. Minneapolis, MN: IEEE, 1994. P. 23-26. https://doi.org/10.1109/BIPOL.1994.587846
6. Bales J. A low-power, high-speed, current-feedback op-amp with a novel Class AB high current output stage // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1997. Vol. 32. Iss. 9. P. 1470-1474. https://doi.org/10.1109/ 4.628768
7. Bowers D. F. A fast precision operational amplifier featuring two separate control loops // 2014 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM). Coronado, CA: IEEE, 2014. P. 72-75. https://doi.org/10.1109/BCTM.2014.6981288
8. Прокопенко Н. Н., Дворников О. В., Бугакова А. В. Проектирование низкотемпературных и ра-диационно-стойких аналоговых микросхем для обработки сигналов датчиков: монография. М.: СОЛОН -Пресс, 2021. 200 с.
9. Проектирование аналоговых микросхем для экстремальных условий эксплуатации на основе базового матричного кристалла МН2ХА031 / О. В. Дворников, В. А. Чеховский, Н. Н. Прокопенко и др. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2021. № 2. С. 37-46. https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-2-37-46
10. Радиационно стойкие компоненты полузаказных аналоговых микросхем / О. В. Дворников, В. А. Чеховский, Н. Н. Прокопенко и др. // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 3. С. 308-321. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-3-308-321
11. Koen M., Smith D., Damitio P. A very high speed operational amplifier array // 1993 Proceedings of IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. Minneapolis, MN: IEEE, 1993. P. 153-156. https://doi.org/10.1109/BIP0L.1993.617488
12. Analog devices: ultralow distortion, ultralow noise op amp AD797 // Datasheetspdf [Электронный ресурс]. URL: https://datasheetspdf.com/pdf-file/1186795/AnalogDevices/AD797/1 (дата обращения: 30.11.2022).
13. Moraveji F. A wide-band, low-power, high slew rate voltage-feedback operational amplifier // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1996. Vol. 31. Iss. 1. P. 10-16. https://doi.org/10.1109/4.485839
14. Дворников О. В. Схемотехника биполярно-полевых аналоговых микросхем. Ч. 3: Источники тока, управляемые током с нерегулируемым коэффициентом передачи // Chip News: Инженерная микроэлектроника. 2005. № 1. С. 12-15.
15. Пат. 2168263 РФ. Повторитель напряжения / И. Е. Старченко; заявл. 25.04.2000, опубл. 27.05.2001.
16. Дворников О. В. Схемотехника биполярно-полевых аналоговых микросхем. Ч. 7: Интегральные дифференциальные каскады // Chip News: Инженерная микроэлектроника. 2005. № 8. С. 38-47.
17. Прокопенко Н. Н. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: монография. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. 223 с.
Статья поступила в редакцию 06.09.2022 г.; одобрена после рецензирования 26.09.2022 г.;
принята к публикации 29.11.2022 г.
Информация об авторах
Дворников Олег Владимирович - доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник ОАО «Минский научно-исследовательский приборостроительный институт» (Беларусь, 220113, г. Минск, ул. Якуба Коласа, 73), [email protected]
Чеховский Владимир Алексеевич - заведующий лабораторией электронных методов и средств эксперимента Института ядерных проблем Белорусского государственного университета (Беларусь, 220045, г. Минск, ул. Академика Курчатова, 7), [email protected]
Прокопенко Николай Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационных систем и радиотехники Донского государственного технического университета (Россия, 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), заведующий научно-исследовательской лабораторией проблем проектирования в экстремальной микроэлектронике Института проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (Россия, 124365, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Советская, 3) и Донского государственного технического университета (Россия, 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), [email protected]
Галкин Ярослав Денисович - младший научный сотрудник лаборатории электронных методов и средств эксперимента Института ядерных проблем Белорусского государственного университета (Беларусь, 220045, г. Минск, ул. Академика Курчато-
ва, 7), аспирант кафедры микро- и наноэлектроники Беларусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (Беларусь, 220013, г. Минск, ул. Петруся Бровки, 6), [email protected]
Кунц Алексей Вадимович - младший научный сотрудник лаборатории электронных методов и средств эксперимента Института ядерных проблем Белорусского государственного университета (Беларусь, 220045, г. Минск, ул. Академика Курчатова, 7), аспирант кафедры микро- и наноэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (Беларусь, 220013, г. Минск, ул. Петруся Бровки, 6), [email protected]
Чумаков Владислав Евгеньевич - аспирант кафедры информационных систем и радиотехники Донского государственного технического университета (Россия, 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), [email protected]
References
1. Smith D., Koen M., Witulski A. F. Evolution of high-speed operational amplifier architectures. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1994, vol. 29, iss. 10, pp. 1166-1179. https://doi.org/10.1109/4.315199
2. Bowers D. F., Wurcer S. A. Recent developments in bipolar operational amplifiers. Proceedings of the 1999 Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (Cat. No. 99CH37024). Minneapolis, MN, IEEE, 1999, pp. 38-45. https://doi.org/10.1109/BIPOL.1999.803521
3. Close J. High speed op amps: performance, process and topologies. 2012 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM). Portland, OR, IEEE, 2012, pp. 1-8. https://doi.org/10.1109/ BCTM.2012.6352648
4. Bowers D. F. A precision dual "current feedback" operational amplifier. Proceedings of the 1988 Bipolar Circuits and Technology Meeting. Minneapolis, MN, IEEE, 1988, pp. 68-70. https://doi.org/10.1109/ BIPOL.1988.51047
5. Bowers D. F. A 6.8 mA closed-loop monolithic buffer with 120 MHz bandwidth, 4000 V//spl mu/S slew rate and /spl plusmn/12 V signal compatibility. Proceedings of IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. Minneapolis, MN, IEEE, 1994, pp. 23-26. https://doi.org/10.1109/BIPOL.1994.587846
6. Bales J. A low-power, high-speed, current-feedback op-amp with a novel Class AB high current output stage. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1997, vol. 32, iss. 9, pp. 1470-1474. https://doi.org/10.1109/ 4.628768
7. Bowers D. F. A fast precision operational amplifier featuring two separate control loops. 2014 IEEE Bi-polar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM). Coronado, CA, IEEE, 2014, pp. 72-75. https://doi.org/10.1109/BCTM.2014.6981288
8. Prokopenko N. N., Dvornikov O. V., Bugakova A. V. Designing low-temperature and radiation-resistant analog microcircuits for sensor signals processing, monograph. Moscow, SOLON-Press Publ., 2021. 200 p. (In Russian).
9. Dvornikov О. V., Tchekhovsky V. A., Prokopenko N. N., Galkin Y. D., Kunts A. V., Chumakov V. E. Analog integrated circuits design for extreme environmental conditions on the base of master slice array МН2ХА031. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh system (MES) = Problems of Development of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems (MES), 2021, no. 2, pp. 37-46. (In Russian). https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-2-37-46
10. Dvornikov O. V., Tchekhovsky V. A., Prokopenko N. N., Galkin Ya. D., Kunts A. V., Chumakov V. E. Radiation-hardened components of semi-custom analog microcircuits. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 3, pp. 308-321. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-3-308-321
11. Koen M., Smith D., Damitio P. A very high speed operational amplifier array. 1993 Proceedings of IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. Minneapolis, MA, IEEE, 1993, pp. 153-156. https://doi.org/10.1109/BIPOL.1993.617488
12. Analog devices: ultralow distortion, ultralow noise op amp AD797. Datasheetspdf. Available at: https://datasheetspdf.com/pdf-file/1186795/AnalogDevices/AD797/! (accessed: 30.11.2022).
13. Moraveji F. A wide-band, low-power, high slew rate voltage-feedback operational amplifier. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1996, vol. 31, iss. 1, pp. 10-16. https://doi.org/10.1109/4.485839
14. Dvornikov O. V. Schematics of bipolar-field analog microcircuits. Part 3. Current-controlled current sources with unregulated transfer ratio. Chip News, 2005, no. 1, pp. 12-15. (In Russian).
15. Starchenko I. E. Voltage follower. Patent 2168263 RF, publ. 27.05.2001. (In Russian).
16. Dvornikov O. V. Schematics of bipolar-field analog microcircuits. Part 7. Integral differential cascades. Chip News, 2005, no. 8, pp. 38-47. (In Russian).
17. Prokopenko N. N. Nonlinear active correction in precision analog microcircuits, monograph. Rostov-on-Don, Izd-vo SKNTs VSh Publ., 2000. 223 p. (In Russian).
The article was submitted 06.09.2022; approved after reviewing 26.09.2022;
accepted for publication 29.11.2022.
Information about the authors
Oleg V. Dvornikov - Dr. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Chief Researcher, "Minsk Scientific Research Instrument-Making Institute" JSC (Belarus, 220113, Minsk, Yakub Kolas st., 73), [email protected]
Vladimir A. Tchekhovski - Head of the Electronic Methods and Experimental Means Laboratory, Institute of Nuclear Problems, Belarusian State University (Belarus, 220045, Minsk, Akademik Kurchatov st., 7), [email protected]
Nikolay N. Prokopenko - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Information Systems and Radio Engineering Department, Don State Technical University (Russia, 344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1), Head of the Research Laboratory of Design Problems in Extreme Microelectronics, Institute for Design Problems in Microelectronics of the Russian Academy of Sciences (Russia, 124365, Moscow, Zelenograd, Sovetskaya st., 3) and Don State Technical University (Russia, 344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1), [email protected]
Yaroslav D. Galkin - Junior Scientific Researcher of the Electronic Methods and Experimental Means Laboratory, Institute of Nuclear Problems, Belarusian State University (Belarus, 220045, Minsk, Akademik Kurchatov st., 7), PhD student of the Micro and Nanoelectronics Department, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics (Belarus, 220013, Minsk, Petrus Brovka st., 6), [email protected]
Alexey V. Kunts - Junior Scientific Researcher of the Electronic Methods and Experimental Means Laboratory, Institute of Nuclear Problems, Belarusian State University (Belarus, 220045, Minsk, Akademik Kurchatov st., 7), PhD student of the Micro and Nanoelectronics Department, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics (Belarus, 220013, Minsk, Petrus Brovka st., 6), [email protected]
Vladislav E. Chumakov - PhD student of the Information Systems and Radio Engineering Department, Don State Technical University (Russia, 344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1), [email protected]
