CC BY
74
5. Семенищев Е.А., Марчук В.И., Шерстобитов AM. Исследование эффективности модифицированного метода сглаживания результатов измерений на основе двухкритериальной целевой функции /Материалы Международной научной конференции «Статистические методы в естественных гуманитарных и технических науках». - Таганрог, 2006. - С. 35-37.
Семенищев Евгений Александрович
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»
E-mail: sea.sea@mail.ru
346500, Шевченко, 147, Шахты. Тел: 88636 22-20-37
Марчук Владимир Иванович E-mail: marchuk@sssu.ru Тел: 8-918-508-82-73
Semenishev Evgeni Alexandrovich
State educational institution of the higher vocational training «South Russian State University of Economics and Service»
E-mail: sea.sea@mail.ru
147, Shevchenko, Shakhti, 346500, Phone: 88636 22-20-37
Marchuk Vladimir Ivanovich E-mail: marchuk@sssu.ru Phone: 8-918-508-82-73
УДК 621.317
АЛ. Гавлицкий
ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИКИ СВЕРХНИЗКОВОЛЬТНЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ АНАЛОГОВЫХ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
Рассматриваются точностные параметры низковольтных аналоговых перемножителей напряжения для систем формирования, переда, .
Параметр; систем; прием.
A.I. Gavlicky
EXTRA LOW-VOLTAGE PRECISION ANALOGOUS VOLTAGE MULTIPLIERS CIRCUIT TECHNIQUE FEATURES
Precision parameters of extra low-voltage analogous voltage multipliers for data processing and transmission systems are considered.
Parameter; system; transmission.
Системная интеграция смешанной системы на кристалле (СНК) выдвигает жесткие требования к аналоговой части, отвечающей за усиление, обработку и преобразование входных сигналов. Следует отметить, что при определении точ-
ностных параметров СНК доминирующим фактором оказывается линейность проходных характеристик ключевых сложнофункциональных (СФ) блоков.
Для качественного формирования, обработки и выделения полезного сигнала зачастую требуются такие СФ блоки, как квадратурные модуляторы, демодуляторы и фильтры с ортогональным преобразованием сигналов. Необходимость получения качественного перемножения аналоговых сигналов в таких СФ
- блоках делает аналоговый перемножитель напряжения (АПН) [1, 2] ключевым элементом, определяющим качественные параметры узлов, его содержащих. Также АПН может служить универсальным СФ-блоком, на основе которого возможно построение управляемых емкостей, усилителей-аттенюаторов и других устройств [3].
Требования повышения производительности вычислительного ядра, а также понижение энергопотребления параллельно с переходом на современную элементную базу зачастую требуют понижения питающего напряжения. Однако требования к амплитудам входных и выходных сигналов как СФ-блоков, так и микросхем в целом остались на прежнем уровне или понизились несоразмерно со снижением напряжения питания. С точки зрения проектирования АПН, снижение питающего напряжения при неизменном динамическом диапазоне приводит к резкому повышению нелинейности проходной характеристики перемно-жителя. Так как на максимальное входное напряжение биполярного множительного ядра [1] напряжение питания оказывает слабое влияние, то основной вклад в нелинейность проходной характеристики вносят входные логарифмирующие .
Входные логарифмирующие усилители АПН состоят из преобразователей напряжение-ток (ПНТ) и логарифмирующих диодов, служащих нагрузкой кас. [1] рис. 1,а, а его проходная характеристика - на рис. 1,6.
Рис.1. Упрощенная схема ПНТ на биполярных транзисторах и его проходная
характеристика В этом случае отклонение от линейности
S0UX
SxUx
I
SI
- Y
(2)
где SX=dIX/dUX - крутизна прямой передачи; &X - абсолютное отклонение тока; S0 =I0/U0 - крутизна прямой передачи при линейном приближении, I0 - максимальный выходной ток преобразователя при подаче на вход максимального напряжения UX = U0.
Отметим, что SX(0) = S0, поэтому
1
Sx (0) =
R1 + 2rE
(З)
0
0
Подставляя (3) в (2), получаем:
2геХ2Цх/Ц0 ^ X3 ,
^1(1 - Х ) + 2гЕ ^1 (1 - X2 ) + 1
2ге
поскольку при у << 1 можно положить 1х/10 ~ их/и0 [1,2].
Упрощенная схема ПНТ, основанного на МДП-транзисторах, приведена на . 2.
Для дифференциальной пары крутизна преобразования может быть записана как
5 = 210 - 2Ш\ (5)
^ - и2 к х
+1х ^ VT1
|-1х
VT2
КА
+их
—о
Рис. 2. Упрощенная схема ПНТ на основе МДП-транзисторов:
10 - ток источника тока дифференциального каскада; их - максимальное входное напряжение, ограниченное заданным диапазоном линейности; к = {рСох/2)(Т/Ь) - параметр, определяющий крутизну прямой передачи полевых транзисторов дифференциальной пары, где /л - эффективная подвижность
; Сох - - -
стора, Ш - ширина канала; Ь - длина канала.
В таком случае нелинейность проходной характеристики может быть записана как
Бпиг - SUV_
8 = -
SoUx
где S - текущее значение крутизны преобразования дифференциального каскада; S0 - максимальное значение крутизны при UX=0;
Таким образом, максимальное значение крутизны можно определить как
So =42kT0 . (7)
Если установить крутизну S постоянной во всем рабочем диапазоне входных напряжений и равной S0, то максимальное значение входного напряжения UM, при котором ток на одном из выходов будет равен 10, можно определить как
U = = 1-^.
M S0 V 2k
Следовательно, при подстановке (5, 7) в (6) выражение, описывающее нелинейность проходной характеристики, примет вид
=1____1 - XU , (8)
f?
где Xu -Ux/Um .
, -
цией отношения входного напряжения к максимальному. То есть при проекти-
ровании каскада можно однозначно задать нелинейность проходной характеристики для конкретного диапазона входных напряжений, выбрав соответствую-
I0. -
,
I0, -
татком такой конфигурации ПНТ. Однако введение компенсации нелинейных
I0
[4] приводит к необходимости повышения напряжения питания, что не всегда .
Моделирование рассмотренных ПНТ произведено в системе автоматического проектирования Cadence® с использованием библиотек, соответствующих элементам, производящимся в рамках технологического процесса SGB25VD [5]. Для минимизации ошибки сравнения моделирование ПНТ произведено с использованием идентичных источников тока (в случае ПНТ на полевых транзи-
I0 , ), -
строенных на транзисторах npnVs [5], на основе которых построены ПНТ (см. рис. 1,а.) Также сопротивление резистора R1 и геометрия каналов полевых транзисторов были оптимизированы таким образом, чтобы крутизна преобразования при максимальном входном напряжении и, соответственно, коэффициент использования тока источников тока был идентичен для обеих схем. Для минимизации эффекта модуляции ширины базы нагрузкой ПНТ служили резисторы со-1 .
Графики отклонения от линейности проходной характеристики ПНТ обоих типов приведены на рис. 3. Оценка нелинейности произведена на основе отклонения крутизны преобразования от ее максимального значения во всем диапазоне входных напряжений и подробно описана в [4].
На основании экспериментальных данных можно сделать следующий вывод: нелинейность проходной характеристики биполярного ПНТ при идентичных условиях оказывается ниже более чем в два раза по сравнению с таковой для ПНТ на основе полевых транзисторов. В конкретном случае максимальное значение нелинейности проходной характеристики биполярного ПНТ достигает значения 1,09%, в то время как при аналогичных условиях ПНТ на основе полевых транзисторов имеет нелинейность проходной характеристики более 2,45%. Диапазон входных напряжений равен ±300 мВ, а напряжение питания ±2В. Однако ПНТ на полевых транзисторах имеет более широкий диапазон входного ,
достижении затворами транзисторов потенциала стока. Данное обстоятельство во многих случаях делает ПНТ на МДП-транзисторах более предпочтительными, так как отсутствие в некоторых технологических процессах [5] биполярных p-n-p-
сигнала к положительной шине питания.
Погрешность проходной характеристики АПН.
Источники погрешности проходной характеристики биполярного множительного ядра Джильберта рассмотрены в [1].
Моделирование АПН производилось следующим образом: выходной сигнал ПНТ подавался на вход низковольтного множительного ядра [2], причем нагрузкой ПНТ служат логарифмирующие диоды, позволяющие скомпенсировать нелинейность проходной характеристики множительного ядра, описываемую функцией гиперболического тангенса [1]. Функциональная схема низковольтного АПН приведена на рис. 4. Измерение погрешности перемножения произведено в режиме квадратора, то есть на входы АПН подано линейно. -тически возведенным в квадрат входным напряжением, отнесенная к максимальному значению выходного сигнала, есть искомая погрешность перемножения [4].
DC Response
■ftww.1060 * ..тШ*$Л070 ' ...
f^
N ~— '
\ /
\ /
\ /
/
\ /
\ /
\ /
\ /
\ /
/
-.3, 1.09 1
X /
\ /
\ / >
N ч /
\ /
V
\
У \
lolar
..е4------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-300 -200 -100 0 100 200 300
XI (Е-3)
Рис.3. Графики нелинейности проходной характеристики ПНТ на биполярных и
полевых транзист орах
Графики погрешности перемножения приведены на рис. 5. Стоит отметить, что благодаря компенсации нелинейности проходной характеристики множи-, , превышающее 0,0511% для АПН с биполярными ПНТ на входах и 0,146% для АПН с полевыми ПНТ на входах.
. 6. -
грузкой множительного ядра служат резисторы К1=Я2=50 Ом, входы ПНТ согласованы с 50 Ом линией. АПН с биполярными ПНТ на входе имеет полосу пропускания по уровню - 3 дБ не хуже 25 ГГ ц, а АПН с полевыми ПНТ на входе
- 18,5 ГГц.
ос йгеролі*
•
•
■■
213т1
141 ■
?тУ, 0511
,
■
Iі
'
■■■
Ырс 4Г N
ОО -200 -1 00
ас (ти)
Рис. 5. Графики погрешности перемножения в режиме квадратора АПН с входными цепями на основе биполярных и полевых ПНТ
Моделирование АПН в режиме смесителя производилось с частотой несущей /0=6 ГГц и модулирующей частотой /м=200 МГц. Амплитуда входного сигнала равна 300 мВ.. Относительный уровень второй гармоники выходного сигнала составляет -21 дБ, а регулярных составляющих вида ^^Пм, п=1, 2, ... не -60 . 6
85 . -
лен на рис. 7. Относительный уровень второй гармоники выходного сигнала составляет -24 дБ, а регулярных составляющих вида 1П=£0±ПМ - не более -53 дБ. Постоянная составляющая и несущая с частотой 6 ГГц подавлены более чем на 95 дБ.
Раздел II. Сложнофункциональные блоки смещенных систем на кристалле
Рис. 6. Графики зависимости полосы пропускания АПН ,
-200
1 , 300 , -
50 -22 .
спектре выходного сигнала отсутствуют четные гармоники, кратные частоте , -ности входных сигналов, что справедливо для любого симметричного АПН с низкой нелинейностью проходной характеристики.
Спектральный состав и относительный уровень гармоник выходного сигнала рассмотренных АПН позволяет строить на их основе такие СФ-блоки, как квадратурные модуляторы и демодуляторы, усилители-а^енюаторы [2, 6] и дру.
Рис.7. Спектр выходного сигнала АПН с полевыми ПНТ в режиме смесителя, частота несущей/0=6 ГГц, частота модулирующего сигнала/м=200 МГц Использование во входных цепях АПН МДП-транзисторов оправдано в случае наличия во входном сигнале АПН положительной синфазной состав. -
сообразным является использование биполярного ПНТ, так как его применение приводит к существенному расширения диапазона рабочих частот и снижению нелинейности проходной характеристики АПН, что, в свою очередь, ведет к уменьшению уровня регулярных составляющих в спектре выходного сигнала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Starchenkko E.I., Dvornikov O.V, Shchyokin D.A. Low-voltage precision analogue multiplier with wide frequency range, Proceeding ICCSC'04 - M., 2004.
2. . ., . .
ячейки нелинейных СФ-блоков. Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сб. материалов международного науч.-практ. семинара. - Шахты: ЮРГУЭС, 2007.
3. Starchenko E. I., Krutchinsky S. G., Gavlicky A.I. Analogous voltage multiplier based on bipolar transistors and MOSFET - Proceeding ICCSC'08. - M., 2008.
4. Starchenko E.I., Krutchinsky S.G., Prokopenko N.N., Gavlicky A.I. Precision analogue multiplier - Proceeding ICCSC'06. - Bucharest, Romania, 2006.
5. John D. Cressler. SiGe HBT Technology: A New Contender for Si-Based RF and Microwave Circuit Applications - IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 46, NO. 5, May 1998.
6. . ., . ., . ., . .
- . - -работки перспективных микро- и наноэлектронных систем 2008. - М.: ИППМ РАН, 2008.
Гавлицкий Александр Иванович
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Кавказкий горно-метадлургический институт (государственный технологический университет)»
E-mail: Gavlicky@bk.ru
346500, Шевченко, 147, Шахты. Тел: 88636 22-20-37
Gavlicky Alexander Ivanovich
State educational institution of the higher vocational training «South Russian State University of Economics and Service»
E-mail: Gavlicky@bk.ru
147, Shevchenko, Shakhti, 346500, Phone: 88636 22-20-37 УДК 621.317
ЕЛ. Старченко
СХЕМОТЕХНИКА СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ, СТОЙКИХ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ
Рассматриваются вопросы проектирования интегральных стабилизаторов напряжения, обладающих радиационной стойкостью и предназначенных для изготовления в составе микроэлектронных устройств «система на кристалле».
Напряжения; кристалл.
