Архитектура и схемотехника операционных усилителей с предельными значениями динамических параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Будяков, Алексей Сергеевич

• Будяков, Алексей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Будяков, Алексей Сергеевич

Введение.

1. Основные динамические параметры и характеристики бьшгродействующих операционных усилителей с прецизионными динамическими характеристиками.

1.1. Линейные эффекты.

1.2. Нелинейные эффекты.

1.3. Динамика ОУ с квазилинейными входными каскадами.

1.4. Переходные процессы в ОУ при длительном выключении промежуточного каскада.

1.5. Погрешности усиления в ОУ с нелинейными каскадами.

1.6. Выводы.

2. Структурные методы обеспечения динамических параметров операционных усилителей.

2.1. Структурные методы устранения динамической асимметрии быстродействующих операционных усилителей.

2.1.1. Рейтинговая оценка динамических параметров входных каскадов.

2.1.2. Архитектура сверхбыстродействующих ОУ.

2.2. Быстродействующие ОУ на основе «перегнутых» каскодов.

2.3. Операционные усилители с аддитивной нелинейной коррекцией.

2.4. Сравнительный анализ предельных динамических параметров.

2.4.1. Существенные нелинейности входных каскадов.

I 2.4.2. Обобщенные функциональные схемы сравниваемых операционных усилителей.

2.4.3. Параметры ОУ при одинаковых усилениях без обратной связи.

2.4.4. Параметры ОУ при одинаковых петлевых усилениях.

2.4.5. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения в нелинейных режимах.

2.4.6. Быстродействие в линейных режимах.

2.4.7. Частотные характеристики в режиме неинвертирующих усилителей.

2.4.8. Частотные характеристики в режиме инвертирующих усилителей.

2.4.9. Влияние малых постоянных времени.

2.5. Операционные усилители с обобщенной токовой обратной связью.

2.5.1. Основные свойства и характеристики.

2.6. Быстродействующий ОУ с обобщенной потенциальной обратной связью.

2.7. Проблемы терминологии и условных обозначений.

2.7.1. Расширенная классификация ОУ.

2.7.2. Выбор параметров линейной и нелинейной обратных связей.

2.7.3. Архитектура ОУ с двумя параллельными четырехполюсниками обратной связи.

2.8. Выводы.

3. Основы схемотехники базовых функциональных узлов операционных усилителей.

3.1. Нелинейная коррекция в комплементарных дифференциальных усилителях.

3.2. Квазилинейные дифференциальные усилители без динамической асимметрии.

3.3. Повторители тока с нелинейным параллельным каналом.

3.4. Выходные каскады на основе «бриллиантового» транзистора.

3.5. Энергетические ограничения для входных каскадов

ОУ с предельным быстродействием.

3.6. Выводы.

4. Схемотехника операционных усилителей с предельным малосигнальным быстродействием.

4.1. Влияние временной задержки на запас по фазе операционного усилителя.

4.2. Анализ расположения полюсов перспективных подсхем ОУ с минимальной электрической длиной.

4.3. Сравнение частотных характеристик ОУ с минимальной электрической длинной.

4.4. Низковольтный р-п-р/п-р-п ОУ с минимальной электрической длиной.

4.5. Применение p-n-p/n-p-n ОУ с минимальной электрической длиной.

4.6. Применение цепей компенсации паразитных емкостей.

4.7. Выводы.

5. Экспериментальные исследования быстродействующих операционных усилителей и устройств автоматики на их основе.

5.1. Быстродействующий ОУ на основе «перегнутого» каскода.

5.2. Быстродействующий операционный усилитель с нелинейной токовой обратной связью.

5.3. Инструментальные сверхширокополосные усилители.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Архитектура и схемотехника операционных усилителей с предельными значениями динамических параметров»

Одним из способов повышения качественных характеристик интегральных микросхем (ИМС) является ужесточение технологических норм их производства. Этот путь развития показал высокую эффективность в цифровой технике, в то время, как уменьшение технологических норм в аналоговых ИМС менее 0,35 мкм стало приводить к ухудшению их основных характеристик. Технология 90 нм позволяет выпускать высокопроизводительные цифровые системы, но менее эффективна при построении аналоговых ИМС. Однако, сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) типа «система на кристалле» требует все более широкополосных (как в режиме малого, так и большого сигнала) аналоговых интерфейсов, также существует потребность в аналоговых ИМС для построения специализированных систем управления.

Микросхемы современных операционных усилителей (ОУ) и интерфейсных устройств на их основе представляют собой достаточно сложные нелинейные динамические системы. Большинство современных быстродействующих ОУ ведущих микроэлектронных фирм, в т.ч. российских, характеризуются средними значениями максимальной скорости нарастания выходного напряжения (100^-500 В/мкс). Это обусловлено нерациональным построением их архитектуры, а также схемотехники входного, промежуточного и выходного каскадов, которым присущи нелинейные режимы работы.

Дальнейшее улучшение динамических параметров ОУ зависит не только от достижений в области полупроводниковых технологий, но и от их структурных и схемотехнических решений. Прежде всего, это применение перспективных функциональных узлов, в частности, входных каскадов с цепями нелинейной коррекции, новых архитектурных решений ОУ с минимальным числом каскадов, алгоритмов! исключения'динамической перегрузки каскадов ОУ и способов введения обратных связей.

Задача обеспечения предельного быстродействия ОУ (максимальной скорости нарастания выходного напряжения - 9ВЬ1Х, времени установления для заданной зоны динамической ошибки (tycr) по обеим полярностям выходного сигнала, частоты единичного усиления - fcp) сводится к решению двух актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники:

- Разработке перспективных методов расширения диапазона активной работы основных каскадов'ОУ нового поколения или исключение его влияния [1, 2] на динамические параметры.

- Повышению частоты единичного усиления ОУ [3, 4, 5], при необходимом запасе устойчивости.

Последние достижения в области технологий с транзисторами на основе гетеропереходов кремний-германий (SiGe) в ведущих микроэлектронных фирмах и научно-исследовательских институтах (например, IHP, Германия [3], Texas Instruments, США [6], STMicroelectronics, Франция [7, 8], Analog Devices, США [9]) показали возможность создания операционных усилителей с частотой единичного усиления единицы-десятки гигагерц. Для построения таких СВЧ ОУ, необходимо исследовать специальную схемотехнику, обеспечивающую предельные динамические параметры в режиме малого сигнала. Разработка СВЧ ОУ создает предпосылки обеспечения многофункциональной аналоговой элементной базой для перспективных систем передачи информации и управления при существующем на сегодняшний день уровне развития SiGe технологий.

Отечественный опыт позволяет сделать вывод, что в случае разработки адаптированной к конкретному производству ИМС схемотехники существует возможность построения ряда конкурентоспособных аналоговых ИМС и IP-блоков [10] на базе существующих российских биполярных микронных технологий, в частности ФРУП НПП «Пульсар» (г. Москва).

Прикладные вопросы нелинейной динамики применительно к построению широкополосных аналоговых и аналогово-цифровых устройств рассматривались в исследованиях научной школы д.т.н., проф. Анисимова В.И., д.т.н., проф. СмоловаВ.Б., д.т.н., проф. УгрюмоваЕ.П. (СПбЭТУ), д.т.н. проф. Волгина Л.И. (Ульяновский государственный технический университет), к.т.н. Матавкина В:В! (РЗПП «Альфа», Латвия), д.т.н., проф. Прокопенко Н.Н. (ЮРГУЭС), а также зарубежных специалистов'Ivanov V.V. (Texas Instruments, USA), Farhiood Moraveji (Micrel, USA) и др. Декомпозированный подход к решению задач повышения быстродействия ©У был описан в публикациях проф. Анисимова В.И. [11], проф. Прокопенко Н.Н. [12] и др. Преемственность, использованных в диссертации! методов подтверждена1 в публикациях автора [ 1, 4, 13-15].

Целью*работы являетсяшсследование и дальнейшее развитие архитектурных и схемотехнических способов повышения-быстродействия ОУ нового поколениям линейных и нелинейных режимах, разработка методов, позволяющих приблизить, быстродействие ОУ в режиме больших импульсных сигналов к предельному, характерному для линейных режимов, получить предельное значение,частоты единичного усиления.

Достижение указанной^ цели предполагает;решение следующих основных задач:

1. Провести сравнительный анализ современных способов? повышения? быстродействия ОУ в линейных и нелинейных режимах, исследовать эффекты, возникающие при динамической перегрузке основных функциональных узлов с целью определения«рекомендаций^ по проектированию быстродействующих ОУ с предельными значениями динамических параметров.

2. Разработать структурные методы исключения динамической; асимметрии; в быстродействующих ОУ с целью обеспечения» предельного, быстродействия ОУ прш обработке импульсных входных сигналов различной: полярности.,

3; Провести сравнительный» анализ; динамических! параметров« решающих усилителей на основе ОУ с обратной связью по напряжению (ОСН) и ОУ с так называемой; токовой обратной связью (TOG) в режимах, малого и большого сигналов с целью, выявления существенных признаков данных базовых архитектур ОУ и определению их предельных характеристик.

4. Разработать комбинированные способы введения обратных связей, сочетающие преимущества известной токовой обратной связи и обратной связи по напряжению.

5. Разработать новые принципы и алгоритмы нелинейной коррекции применительно к базовым- подсхемам быстродействующих ОУ,. позволяющие повысить скорость нарастания выходного напряжения в? ОУ на: основе отечественных микронных технологий (ФРУП НЛП «Пульсар»).

6. Исследовать и разработать схемотехнику ОУ с предельным малосигнальным быстродействием, устойчивых при введении 100%-й обратной связи. В настоящей работе предлагаются архитектурные и схемотехнические методы достижения предельных динамических параметров операционных усилителей, адаптированные к биполярной комплементарной микронной технологии ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва) и СВЧ технологиям SiGe БиКМОП разработанным в научно-исследовательском, институте IHP (г. Франкфурт на Одере, Германия).

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов; сформулированных в диссертации, подтверждается результатами математического анализа, включая анализ набора практических схем, логическими выводами, компьютерным моделированием, экспериментальными исследованиями опытных образцов, актами внедрения, публикациями, патентами, апробацией работы на международных, всероссийских и внутривузовских научно-технических конференциях и семинарах, научно-технических выставках инновационных работ.

Диссертация состоит из введения; пяти глав и заключения; изложенных на 180 страницах текста, иллюстрированного графиками и рисунками, библиографического списка; приложения;

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Будяков, Алексей Сергеевич

Основные результаты диссертационной работы формулируются следующим образом:

1. Проведен сравнительный анализ современных способов повышения быстродействия операционных усилителей, показана возможность декомпозированного подхода к решению задачи нелинейной динамики операционных усилителей, что позволило разработать рекомендации по проектированию ОУ нового поколения с предельными значениями динамических параметров.

2. Предложены структурные методы исключения динамической асимметрии в быстродействующих операционных усилителях, позволяющие приблизить параметры быстродействия операционных усилителей при обработке импульсных входных сигналов различной полярности к предельным значениям.

3. Определена взаимосвязь предельных динамических параметров в базовых структурных схемах ОУ с обратной связью по напряжению и ОУ с токовой обратной связью, что позволило выявить существенные признаки данных базовых архитектур ОУ и расширить представление об их возможностях.

4. Разработаны комбинированные способы введения обратных связей, сочетающие преимущества известной токовой обратной связи и обратной связи по напряжению.

5. Предложены методики, схемотехника и рекомендации по проектированию операционных усилителей нового поколения с предельными значениями динамических параметров, адаптированные к микронной технологии ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва). Предложенные схемотехнические решения открывают широкие возможности для производства конкурентоспособных аналоговых микросхем и позволяют частично решить проблему импортозамещения этого класса интегральных микросхем с использованием широко распространенных и относительно недорогих микронных технологий.

6. Выявлены основные эффекты, влияющие на устойчивость СВЧ операционных усилителей с предельными значениями частоты единичного усиления. Разработаны архитектура и схемотехника, а также рекомендации по их проектированию.

7. Приведены результаты моделирования (в среде Cadence Virtuoso) операционных усилителей с предельными значениями частоты единичного усиления и сверхширокополосных инструментальных усилителей на их основе в базисе компонентов технологического процесса SGB25VD (IHP, Франкфурт на Одере, Германия), который осваивается рядом промышленных предприятий РФ. Предложенные схемотехнические решения представляют значительный практический интерес при построении базовых функциональных узлов устройств автоматики и систем передачи информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Будяков, Алексей Сергеевич, 2008 год

1. Прокопенко, H.H. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей Текст. : монография / H.H. Прокопенко, A.C. Бу-дяков Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.

2. Прокопенко, H.H. Схемотехника широкополосных усилителей Текст. : монография / H.H. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005.-218 с.

3. Спецификации микросхем ths4302, ths4303 Электронный ресурс. / Сайт корпорации Texas Instruments Режим доступа : www.ti.com, свободный.

4. Voinigescu, S.P. et al., Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth Text. / S.P. Voinigescu // IEEE CSICS, Techn. Digest, Nov. 2005, pp. 283-286.

5. Voinigescu, S.P. SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz Text. /S.P. Voinigescu et al. // IEEE BCTM, 0ct.2006, pp. 1-8.

6. Спецификации микросхем AD8003, AD8045 Электронный ресурс. / Сайт корпорации Analog Devices — Режим доступа : www.analog.com, свободный.

7. Нему дров, В.Г. Системы на кристалле. Проектирование и развитие Текст. / В.Г. Немудров, Г. Мартин. М.: Техносфера, 2004. - 216 с.

8. Анисимов, В.И. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов Текст. : монография / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. Л., 1979. - 148 с.

9. Прокопенко, Н.Н. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах Текст. : монография / Н.Н. Прокопенко. Ростов н/Д.: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. -224 с.

10. Prokopenko, N.N. Architecture of high-speed operational amplifiers with nonlinear correction Text. / N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov // 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication. Moscow, Russia, June, 2004.

11. Prokopenko, N.N. Problems of designing of operational amplifiers with precision dynamic characteristics Text. / N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov // 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication. Moscow, Russia, June, 2004.

12. Прокопенко, Н.Н. Динамика микроэлектронных операционных усилителей на основе «перегнутых» каскодов Текст. / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2004. - № 6. - С. 68-73.

13. Полонников, Д.Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника Текст. : монография / Д.Е. Полонников. М., 1983. -216 с.

14. Матавкин, B.B. Быстродействующие операционные усилители Текст. : монография / В.В. Матавкин. М.: Сов. Радио, 1989.

15. Прокопенко, H.H. Вопросы проектирования входных каскадов микроэлектронных операционных усилителей Текст. / Прокопенко Николай Николаевич: автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.: ЛЭТИ, 1975. -273 с.

16. Алексеенко, А.Г. Макромоделирование аналоговых интегральных микросхем Текст. / А.Г. Алексеенко, Б.И. Зуев, В.Ф. Ламекин, И.А. Романов. -М.: Радио и связь, 1983. 248 с.

17. Алексеев, А.Г. Операционные усилители и их применение Текст. / А.Г. Алексеев, Г.В. Войшвило. -М.: Радио и связь, 1989. 119 с.

18. Современные линейные интегральные микросхемы и их применение Текст. / пер. с англ.; под ред. М.В. Гальперина. М. : Энергия, 1980. -272 с.

19. Mancini, R. Anatomy of a current-feedback OP Amp Электронный ресурс. / Электронный журнал EDN, December, 2005. Режим доступа : http://www.edn.com/article/CA6288054.html, свободный.

20. Mancini, R. Anatomy of a voltage-feedback OP Amp Электронный ресурс. / Электронный журнал EDN, October, 2005. Режим доступа : http://www.edn.com/article/CA6275426.htm], свободный.

21. Виноградов, Р.Н. Быстродействующие операционные усилители с обратной связью по току и напряжению Текст. / Р.Н. Виноградов, Д.Л. Ксенофонтов // Chip News, 1996. № 8. - С. 25-27.

22. Херпи, М. Аналоговые интегральные схемы Текст. / М. Херпи. М. : Радио и связь, 1983. - 416 с.

23. Current Feedback Loop Gain Analysis and Performance Enhancement, Application Note AN-012782, OA-13 Электронный ресурс. / Сайт компании National Semiconductor, 1993. Режим доступа : www.national.com, свободный.

24. Development of an Extensive SPICE Macromodel for Current-Feedback Amplifiers. National semiconductor, Application Note 840 Электронный ресурс. / Сайт компании National Semiconductor, 1992. Режим доступа : www.national.com, свободный.

25. Банк, М.У. Аналоговые интегральные схемы в радиоаппаратуре Текст. / М.У. Банк. М. : Радио и связь, 1981. - 136 с.

26. Шкритек, П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике Текст. / П. Шкритек ; перевод с нем. И.Д. Гурвица. М. : Мир, 1991. - 446 с. : ил. - Перевод изд. : Handbuch der Audio-Schalttungstechnik / Paul Skritek, Franzis, 1988.

27. Савенко, С. Усилители с токовой обратной связью Текст. // Современная электроника. 2006. - № 2. - С. 18-23.

28. Takeda; Isoshi, et al. Current mirror circuit operable with a low power supply voltage. US patent № 5.357.188, 323/315.

29. Graeme, et al. Folded-cascode amplifier stage. US patent № 5.907.262, 330/255.

30. Graeme. High-gain common-emitter output stage. US patent № 5.736.902, 330/296.

31. A.JI. Стемпковского. М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006, С. 235-239.

32. А. С. 970638 СССР, МКИ3 H03F 3/45. Операционный усилитель Текст. /

33. B.C. Рысин, В.А. Ткаченко (СССР). № 3227497 ; заявл. 29. 12. 80 ; опубл. 30. 10. 82, Бюл. № 40. -4с.: ил.

34. Bruce Carter, Using high-speed op amps for high-performance RF design, Part 1 Электронный ресурс. / Сайт корпорации Texas Instruments, 2Q, 2002. Режим доступа : http://focus.ti.com/lit/an/slytl21/slytl21.pdf, свободный.

35. Bruce Carter, Using high-speed op amps for high-performance RF design, Part 2 Электронный ресурс. / Сайт корпорации Texas Instruments, 3Q, 2002. Режим доступа : http://focus.ti.com/lit/an/slytll2/slytll2.pdf, свободный.

36. National-Semiconductor Application Note OA-11, A Tutorial on Applying OpAmps to RF Applications Электронный ресурс. / Сайт ком пании National Semiconductor, September, 1993. Режим доступа : — http://www.national.com/an/OA/OA-ll.pdf, свободный.

37. Johns, D. Analog Integrated Circuit Design Text. / D. Johns, K. Martin. -Wiley & Sons, 1997. 720 p.

38. John D. Cressler, SiGe HBT Technology: A New Contender for Si-Based RF and Microwave Circuit Applications Text. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 46, NO. 5, May 1998.

39. J. Pozela, Physics of High-Speed Transistors Text. / J. Pozela. Springer; 1 edition, 1993.-355 p.

40. Huijsing, Johan H. Operational Amplifiers: Theory and Design Text. / Johan H. Huijsing. Springer, 2000 - 484 p.

41. Ivanov, V.V. Operational amplifier speed and accuracy improvement. Analog Circuit Design with Structural Methodology Text. / V.V. Ivanov, I.M. Fila-novsky. Kluwer Academic Publishers, 2004. - 210 p.

42. Heinemann, B. Complementary SiGe BiCMOS Text. / B. Heinemann et al. // Electrochemical Society Proceeding, vol. 2004-07, pp.25-31.

43. Ежегодный отчет о проделанной научной работе института Инновационной микроэлектроники (IHP GmbH) Электронный ресурс. / Сайт института Innovation for High Performance, 2006 г. Режим доступа : http://www.ihp-microelectronics.com, свободный.

44. Prokopenko, N.N. Architecture and Circuit Engineering of Precision Deferential Amplifiers with Increased Common-Mode Rejection Text. N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov, S.V. Kryukov // Proc. IEEE ICCSC, July 2006, pp.159-164.

45. Texas Instruments Application Note SLOA064, A Differential Op-Amp Circuit Collection Электронный ресурс. / Сайт корпорации Texas Instruments, July, 2001. Режим доступа : http://focus.ti.com/lit/an/sloa064/sloa064.pdf, свободный.

46. Крутчинский, С.Г. Структурный синтез аналоговых электронных схем Текст. : монография / С.Г. Крутчинский. Ростов н/Д.: Изд-во СевероКавказского научного центра высшей школы, 2001. - 185 с.

47. Будяков, A.C. Быстродействующий операционный усилитель с динамической коррекцией переходного процесса Текст. / A.C. Будяков // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2004. - № 6. - С. 206-209.