CC BY
81
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].
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 и емкость Сн,
О +
-О
б)
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 / (по уровню -3дБ) истокового повторителя рис. 1 а не лучше чем
/■ і 7і-, (1)
ІПТн
где тн - постоянная времени цепи нагрузки. Причем
и
тн * Сн----н—, (2)
н н 1 + ад
где 51 - крутизна входного полевого транзистора УТ1; Ян, 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 УТ1 в схеме рис. 1б устанавливается (в частном случае) двухполюсником 11. Повторитель напряжения ПН1 с единичным коэффициентом усиления Ку1 и неинвертирующий повторитель тока УТ1 с единичным коэффициентом усиления по току К в этом случае не влияют на статику схемы.
Изменение входного напряжения йвх передается в цепь нагрузки
и «———и (3)
'"'вых. ! . ивх5 'ч/
1 + ]®Гн
где К 0 =----^ (4)
1 +---- Ц вх
ЭДн
и
тн = Сн-----. (5)
н н 1 + ад
Напряжение ивых поступает на выход повторителя напряжения ПН1, что создает входной (1ск), а затем выходной (1УТ1) токи усилителя тока УТ1:
II К
т вых. у1 /
1ск = ’ (6)
1УТ1 = ]КикУ1оСк, (7)
где Ки - комплекс коэффициента передачи по току неинвертирующего повторителя тока УТ1; Ку1 - комплекс коэффициента передачи по напряжению дополнительного повторителя напряжения ПН1.
В линейном режиме для комплексов входного (ивх) и выходного (йвых) напряжений ШПН можно записать следующие уравнения
7 I
ЦТ _______ II и1______ (О)
вых 1-]щСк КиКу1 ’ К)
йвх _ !« + и и, (9)
где !/зи _ /и1/5^- комплекс напряжения затвор-исток полевого транзистора УТ1; 5^ - комплекс крутизны полевого транзистора УТ1; 7н -комплекс эквивалентного сопротивления нагрузки, причем
и
7н _-------н----. (Ю)
н 1 + ]®СН ян у '
В результате решения уравнений (6)-(9) при 51=5 можно получить, что в схеме ШПН рис. 1б комплексный коэффициент передачи по напряжению определяется уравнением
Kn = й^- =---------J1--------------------------, (11)
вх 1 +-------+ іттв
SR: в
где i, =C: -C,KyIKu]S-1. (12)
Если обеспечить Ky1 = 1, Kn = 1, то, как следует из (11) и (12),
условием уменьшения влияния емкости нагрузки Ch на амплитудночастотную характеристику ШПН рис. 1 б будут равенства
тв = 0
С, K K = 1 ■ (13)
с Ky1K"=1
Следовательно, в первом приближении емкости конденсаторов CR и Ch должны удовлетворять неравенству Ck<Ch.
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 (КП < 1) ШПН рис.
1б при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Ck. Моделирование проведено в среде Cadence на транзисторах техпроцесса SGB25VD при I0 = 200 мкА.
(г*Ч (№)
Рис. 2. - Логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению (КП < 1) 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 Ви показаны значения времени установления переходного процесса (ґуст) 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).
1.25
IjO-
.75
.25
OJO
Vi п р
\ X Ck=0(6,5ns, 7S7mV)
>с \
f \Х X C:k = 3p(?.R4n<:, 7Fi7mV)
' / \ X / \ С к — 4.5 р (' 7 01 tj s, 757mV)
/ \
Ck = 5pi47.5ps, 757mV) у f
-5.0
5j0 dm* (ns)
10
15
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 (/уст) на выходе ШПН при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Ск.
1.25
-5.0 О 5.0 10 15 20 25 30
time (ns)
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 п-р-п транзистор УТ1 (рис. 5а) и составной р-п-р транзистор УТ1 (рис. 5 б). Работа данных каскадов также описывается уравнениями (11)^(13), в которых необходимо положить
51 = г-1, где гэ1 = 25 • 10-3 В/11 - сопротивление эмиттерного перехода
транзистора УТ1.
■о +
о
а)
Я1
Вых.
/------------о
С1
I
Л
Вх.
К
с,
Вых.
^вх. К~\_Л
о
б)
Рис. 5. - Схема эмиттерного повторителя на биполярном п-р-п (а) и р-п-р (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.
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
Выводы
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 радиационностойких 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)
