CC BY
87
Серебряков Александр Игоревич E-mail: [email protected].
Тел.: +79034346279.
Аспирант.
Будяков Петр Сергеевич E-mail: [email protected].
Тел.: +79185187649.
.
Prokopenko Nikolay Nikolaevich
South Russia State University of Economics and Service.
E-mail: [email protected].
147, Shevchenko Street, Shakhty, 346500, Russia.
Phone: +78636222037.
The Rector of the South-Russian State University of Economy and Service; Professor.
Serebryakov Alexander Igorevich
E-mail: [email protected].
Phone: +79034346279.
Postgraduate Student.
Budyakov Peter Sergeevich
E-mail: [email protected].
Phone: +79185187649.
Student.
УДК 621.375
H.H. Прокопенко, П.С. Будяков, А.И. Серебряков
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ КЛАССИЧЕСКОГО КАСКАДА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ В АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМАХ С НИЗКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ
Проводится анализ архитектурных, схемотехнических и технологических ограничений на коэффициент усиления по напряжению (Ку) каскада с общей базой. Рассматриваются методы повышения Ку, основанные на принципах собственной компенсации домини-. -
, -росхемах на основе SiGe-технологических процессов.
; ; SiGe- .
N.N. Prokopenko, P.S. Budyakov, A.I. Serebryakov
METHODS OF INCREASING VOLTAGE GAIN OF CLASSICAL STAGE WITH A COMMON BASE IN ANALOG IC WITH LOW-VOLTAGE SUPPLY
The analysis the architecture, circuit design and technological limitations on the voltage gain (Kv) of stage with a common base. onsider methods to increase Kv, based on the principles of self compensation of the dominant impedance. Considered design features chains of compensation show that this circuit solution quite promising in analog chips, based on SiGe processes. ascade with a common base; voltage gain; SiGe-technology.
Введение. В современной микросхемотехнике используются не более 10-15 базовых функциональных узлов, определяющих качественные показатели достаточно широкого класса микроэлектронных изделий. В этой связи большой практический интерес представляет оценка предельных возможностей по величине ко-
эффициента усиления классического каскада с общей базой (рис. 1,а) и исследование методов повышения его Ку при ограничениях на напряжение питания.
Предельный коэффициент усиления каскада с общей базой (рис. 1,а). Коэффициент усиления по напряжению при малых сопротивлениях в коллекторной цепи УТ1 и большом сопротивлении нагрузки ( — = ^ ) равен
К = —1 = —^ _ ии1 (1)
у.тах ’ V *
Гэ1 ФТ ФТ
где и—1 - статическое напряжение на резисторе коллекторной нагрузки Ш,
11 - статический ток через резистор Ш,
ф = 26 мВ - температурный потенциал,
гэ1 - сопротивление его эмиттерного перехода транзистора УТ1.
В тех случаях, когда сопротивление — велико ( — ^ ^), коэффициент усиления определяется глубиной внутренней обратной связи в транзисторе УТ1
(Ц = Ь?2.1):
К*
1
и,
Эрли
(2)
К
где Иэ - фт/ц - напряжение Эрли транзистора УТ1,
Эрли
- Ь-параметр транзистора УТ1 в схеме с общей базой.
Если внутренняя обратная связь в транзисторе мала, то максимальный коэффициент усиления ограничивается на уровне
К,,
: (Г Ьб ) 4 - Іііїі-
Vі 22.1/
фт
(3)
где Ь22! = г^1 - выходная проводимость транзистора УТ1 в схеме с общей базой.
Рис. 1. Каскад с общей базой {а) и зависимости его коэффициентов усиления Ку от сопротивления Ш при к‘221 ~ 0{б) и при к‘1>21 ~ 0 {в)
При ограничениях на напряжение питания (Ее) каскада с общей базой, характерных для БЮс-технологических процессов (Еп < 2,0 2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (Ку) получается небольшим (Кутах = 10 + 20). Как следу-
(1), -, - .
ф
12.1
і
а
в
Раздел II. Сложнофункциональные блоки смещенных систем на кристалле
Поэтому для повышения Ку применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных р-п-р-транзисторах. Однако для обеспечения линейного режима работы ДН необходимо иметь 0,8 -*1,6 В статического напряжения между источником питания и выходом ДН, причем, численные значения идн равны 0,8 В для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное дифференциальное сопротивление:
И
ДН
^Эрлн/1^ ,
(4)
где Иэрли - напряжение Эрли выходного р-п-р-транзистора ДН; 1Э=10 - статиче-р-п-р- .
Для интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» Иэ = 20 *30 В.
Следовательно, при 10 = 1 мА применение классических динамических нагрузок
не позволяет получить Ку > 200*300. Более высокие выходные сопротивления
Иди реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение между выводами такой динамической нагрузки более чем 2Иэб > 1,6 В. При низковольтном питании это не приемлемо.
, , , когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного на, . Схемотехнические методы повышения Кг Для уменьшения влияния импеданса Ш на Ку в современной микроэлектронике используется метод потенциальной компенсации Ш, основанный на применении повторителей напряжения [1].
Ку
токовая компенсация Ш [2].
Сущность метода токовой собственной компенсации Ш поясняет схема рис. 2
[2], в которой последовательно с Ш вводятся датчик тока (И2) и неинвертирующий повторитель тока (УТ) с малой выходной проводимостью (у;.у).
Рис. 2. Токовая компенсация импеданса Я1 в усилителе с общей базой [2]
Если выходное напряжение каскада изменяется на величину иВЬ1Х, то это приводит к приращениям токов через резистор Ш (іК1), выходную проводимость У;.т1 транзистора УТ1, входную проводимость (увх.У) неинвертирующего усилителя тока УТ1, который имеет коэффициент передачи по току Кц=1:
• _ иВы.х і = ВЬІХ . _
%1 _ Г)1 , У.ВЫХ , К _ Уі.тіивьіх . (5)
К1 і.у
Приращение іК1 делится с коэффициентом КЛ < 1 между резистором И2 и входным сопротивлением гвху каскада УТ1, причем
•вх.у _ _ Каіиі, (6)
К2 + ^.у
где Ка _------------< 1.
г
1+
К2
Поэтому в выходном узле «А» происходит взаимная компенсация двух составляющих ік1 и ів _ Кі1 • івхУ, а эффективная проводимость (уЭф.А) в коллек-
торной цепи транзистора УТ1 уменьшается:
Уэф.д “ Уі.у + Уі^1 + У1(1 - Кі1Ка). (7)
Таким образом, в общем случае для схемы с токовой компенсацией (рис. 2):
КУ “ — кт! + Уі.У + У1(1 - Кі1Ка)]. (8)
У Фт
Из уравнения (8) следует, что токовая компенсация Ш в каскаде с общей базой (рис. 2) повышает коэффициент усиления по напряжению только в том случае, если влияние Ш на Ку доминирует, что характерно для усилителей с малым напряжением питания, реализуемым по техпроцессу ЗОБ25УБ.
Анализ уравнения (8) показывает, что предельные значения КУ.тах в схеме рис. 2 ограничиваются влиянием выходных проводимостей канала компенсации УТ1 и транзистора УТ1. Так, при Т _ Кі1Кі _ 1 можно найти, что предельный Ку принимает значение
^ ^
КУ.тах _-^ _------------------ ------, (9)
Уэф.тт У1.У + У1.Т1
-1 _ 1,1
где Б1 = гэ1 _ — - крутизна транзистора УТ1;
Фт
У эф.тш _ У1.у + Уі.Т1 ;
1э1 - статический ток эмиттера транзистора УТ1.
Успешность практического использования идеи собственной компенсации импеданса Ш в каскаде рис. 2 зависит от построения усилителя тока УТ1, который в идеальном случае должен иметь:
Уі.у _ 0, КПКЛ _ Т _ 1, гвх.у = 0. (10)
В практических схемах каналы компенсации могут иметь с основной схемой как непосредственную (рис. 3,а), так и емкостную (рис. 3,6) связи.
На рис. 3,6 представлен широкополосный усилитель, в котором входной
УТ2
общей базой, а цепь компенсации Ш реализована на транзисторе УТ1 и конденса-
торе С1. В частном случае потенциал базы транзистора УТ2 может устанавливаться от цепи смещения потенциала базы транзистора УТ1.
а б
Рис. 3. Собственная компенсация импеданса Я1 в усилителях с общей базой: непосредственная связь (а), емкостная связь (б) [2]
Рис. 4. Модель каскада с общей базой в среде Cadence на моделях транзисторов
ФГУП НПП «Пульсар»
60
5 5
5 0
U3 4S >=С
ic: 40 35 30 £5
49 5МГи 51.2nfi
— Схема с коррекцией Схема беї коррекции Ч'чч
\5МГц. 34.3ДБ 541 МГц, 31 ,ЗдБ
Ю°
Частота. Гц
Рис. 5. Частотная зависимость коэффициента усиления каскада с общей базой рис. 3,6 с конденсатором С2 и без конденсатора С2
В схеме, приведенной на рис. 6, в канале компенсации введена местная отрицательная обратная связь (транзистор УТ3), что несколько улучшает коэффициент деления тока Ки (К = 1) и, как следствие, повышает Ку.
Рис. 6. Способ повышения эффективности собственной компенсации импеданса Я1 в каскадах с общей базой [2]
Выводы. Альтернативным вариантом построения усилителей с общей базой, характеризующихся повышенным Ку, является токовая компенсация импеданса его низкоомной коллекторной нагрузки R1. Рассмотренные особенности построения цепей компенсации показывают, что такое схемотехническое решение достаточно перспективно в аналоговых микросхемах на основе SiGe-тexнoлoгичecкиx процессов.
19.3МГц. 58.7дБ
\ \ 1МГц. 61.7дБ
Схема с коррекцией Ч\ \ч
\
\ \ 1МГц. ЗО.ЭдБ 930МГц. 27.9дБ /
Рис. 7. Частотная зависимость коэффициента усиления схемы рис. 6 с конденсатором С2 и без конденсатора С2
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Прокопенко НМ., Кавбасюк НМ. Архитектура и схемотехника аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией импедансов: Монография. - Шахты: ЮРГУЭС, 2008. - 326 с.
2. Проко пенко НМ., Будяков П.С., Серебряков AM. Широкополое ный усилитель: заявка на патент Российской Федерации; МПК8 H 03 F 3/34, 3/45. - № 2010119325/09; заявл. 13.05.2010 (305).
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор СТ. Крутчинский. Прокопенко Николай Николаевич
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.
E-mail: [email protected].
346500, г. Шахты, ул. Шевченко, 147.
Тел.: 88636222037."
- ;
.
Серебряков Александр Игоревич E-mail: [email protected].
Тел.: +79034346279.
.
Будяков Петр Сергеевич E-mail: [email protected].
Тел.: +79185187649.
.
Prokopenko Nikolay Nikolaevich
South Russia State University of Economics and Service.
E-mail: [email protected].
147, Shevchenko Street, Shakhty, 346500, Russia.
Phone: +78636222037.
The Rector of the South-Russian State University of Economy and Service; Professor.
Serebryakov Alexander Igorevich
E-mail: [email protected].
Phone: +79034346279.
Postgraduate Student.
Budyakov Peter Sergeevich
E-mail: [email protected].
Phone: +79185187649.
Student.
УДК 621.315.722
Е.И. Старченко, П.С. Кузнецов
ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ КРЕМНИЯ
Рассматриваются схемотехнические способы построения интегральных источников , , наряду с температурной стабильностью, радиационной стойкостью. Проведена оценка чувствительности рассматриваемых источников опорного напряжения к условиям на.
; .
E.I. Starchenko, P.S. Kuznetsov VOLTAGE REFERENCE BASED ON THE WIDTH SILICON BAND GAP
Consider circuit design methods for constructing integrated voltage references, determined band gap of silicon and which, in addition to temperature stability, resistance to radiation. The evaluation of the sensitivity of the sources in the reference voltage to the conditions set.
Radiation hardness; MOSFETs.
При любых измерительных операциях используется точка отсчета, база (не),
, . . ( ).
ИОН сводятся к повышению его стабильности при влиянии различных дестабили-.
при изменении температуры. Но, безусловно, полезным свойством источника
