CC BY
37
Микромощный избирательный усилитель в элементном базисе радиационно-стойкого техпроцесса АБМК_1_3
О.В. Дворников, Н.Н. Прокопенко, П.С. Будяков, В.В. Суворов
Интегральные операционные усилители со специальными элементами ЯС-коррекции, формирующими амплитудно-частотную характеристику резонансного типа, широко используются в задачах выделения сигналов считывающей электроники. Однако классическое построение таких избирательных усилителей (ИУ) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа второстепенных транзисторов, образующих операционный усилитель [1-5]. В этой связи весьма актуальной является задача построения ИУ, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью ^) резонансной характеристики (^=2^10) при малом энергопотреблении [4-6].
На рис. 1а показаны базовые схемы предлагаемого ИУ [6-9].
а) б)
Рис. 1. - Базовые схемы микромощного избирательного усилителя [10]
Источник входного напряжения ивх в схеме рис. 1б изменяет ток стока (іс) полевого транзистора УТ1. Характер стоковой нагрузки этого транзистора, образованной резисторами Ю и Я2, а также конденсаторами С1 и С2 обеспечивает преобразование іс в выходной сигнал ИУ. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами С1 и С2 формирует функциональную зависимость выходного сигнала, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя.
Применение полевого транзистора управляющим р-п переходом обеспечивает минимально возможное потребление тока от источника питания, а также работу с однополярным питанием [10].
Комплексный коэффициент передачи ИУ рис. 1б как отношение выходного напряжения (Вых.) к входному напряжению ивх определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем
^/о
= К О = К0 / ,
ив /0 - /2 + /О
где / - частота входного сигнала; /0 - частота квазирезонанса избирательного усилителя; О - добротность АЧХ избирательного усилителя; К0 -коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса /0.
Причем:
Г-________1______
2лт]С1С2К1К2 ’
где С1, С2, Я], Я2 - параметры соответствующих элементов схемы С1, С2, Я1 и Я2;
Добротность ИУ определяется формулой
Я
II
С2_
С;М
Я2
*1
1
ч
-1
(1)
А =
Л
С,
+
С2 К
Сі
С1
я й
— - эквивалентное затухание пассивной частото-
зависимой цепи; 81 - крутизна полевого транзистора УТ1.
За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (1), можно обеспечить О >> 1.
Формула для коэффициента усиления Ко в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид
Ко = -0Б ^1*2
Сі
С,
где 8
1
(к11.2 + 8-1)
Из соотношения (1) следует возможность параметрической оптимизации схемы ИУ при реализации требуемой добротности. Действительно,
0-1 =
ш(к2 +1) 1 - Я1Б
к
+ ■
шк
(2)
где к
С
С,
ш
Я
Я
При этом параметрические чувствительности
=-
С 2
1
ш(к2 -1) БЯ,
кОг
шк
= -=
О г> — О Г) ------------
ш(к2 -1) 1 + БЯ,
кш
шк
б0 =-
08*1
шк
суммарная
могут оптимизироваться по одному из критериев -чувствительность, среднеквадратическая чувствительность и т.п. Так, при минимизации среднеквадратической чувствительности получаем, что
1
2
кор1 — 16, — 2,5, (3)
а соотношение между резистивными элементами схемы определяется из условия (2) для практических значений добротности Q.
При условиях С,=С2=С
и
параметрические
чувствительности основных параметров ИУ имеют следующий вид:
ОК0 _ ОК0 _
8с2 —-8с, —
2
^ —-Ча —
О г> — О г, —
1
2
<?ко — <?ко — 1
О р — ^7? —
к2 К1 2
Это характеризует схему предлагаемого ИУ в классе низкочувствительных звеньев второго порядка. В этом случае К, — Q.
Схема рис. 2 имеет дополнительное качество при однополярном питании - высокое ослабление выходного сигнала в диапазоне низких частот.
1
2
а)
б)
Рис. 2. - Схемы ИУ с высоким затуханием выходного сигнала в диапазоне
низких частот
На рис. 3 представлены другие модификации схемы ИУ на р-п-р и п-р-п транзисторах аналогового базового матричного кристалла АБМК_1_3 (НПО «Интеграл», г. Минск)
Рис. 3. - Схемы ИУ с однополярным питанием (а) и с минимальным
токопотреблением (б)
На рис. 3б в исток полевого транзистора с управляющим р-п переходом, который используется в качестве входного транзистора УТ2, включен дополнительный р-п переход У01. В данной схеме предусмотрено дальнейшее снижение токопотребления за счет перевода полевого транзистора в микрорежим.
На рис. 4 представлена схема ИУ рис. 3б в элементном базисе техпроцесса АБМК_1_3 (г. Минск) в среде компьютерного моделирования РБріее.
PARAMETERS
C2 = 4p C1 = 10p R2 = 3100 R1 = 1.7k
V2
R3
500
R2 {R2}
V3
U1
0
PADJ
Рис. 4. - Схема ИУ в элементном базисе техпроцесса АБМК_1_3 в среде компьютерного моделирования РБрюе
На рис. 5 приведена логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики ИУ рис. 4 в диапазоне частот от 10 кГц до 10 ГГц при Я1=1,7 кОм, С1=10 пФ, Я2=3,1 кОм, С2=4 пФ.
Ку, дБ ф,градусы 30т 45
360
10й
^<2=1 3.5(6 79М, 23.9)
/|\
/1 / 1
1 1
* ■>ч ч ^
\ \ \
\ \
10ь
10'
10а
10а
10
ю
Частота, Гц
Рис. 5. - Логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики ИУ в диапазоне частот от 10 кГц до 10 ГГц
На рис. 6 показана ЛАЧХ ИУ рис. 4 при значениях сопротивления коллекторной нагрузки Ю, изменяющегося в диапазоне от 1,4 кОм до 1,7 кОм.
30 20 10
■10
■20 я
106 3x106 Ю7 3x107 Ю8
Частота, Гц
Рис. 6. - ЛАЧХ ИУ при изменении значения сопротивления Ю от 1,4 кОм до 1,7 кОм
Соотношение емкостей в схеме рис. 4 выбрано таким образом, чтобы выполнялся, приведенный в (3) критерий kopt = 1,6.
Представленные на рис. 5 - рис. 6 результаты моделирования подтверждают указанные свойства предлагаемой схемы.
Таким образом, рассмотренные схемотехнические решения полосового фильтра характеризуется достаточно высокими значениями коэффициента усиления по напряжению К0 на частоте квазирезонанса f0, а также стабильными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства, при малом энергопотреблении и низкой параметрической чувствительности.
Исследование выполнено в рамках соглашения 14.В37.21.0781 «Разработка архитектурных, технологических и схемотехнических основ проектирования специализированных микросхем для обработки сигналов фотоприёмников нового поколения и мостовых резистивных датчиков» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг.
Литература:
1. N. Prokopenko, A. Budyakov, K. Schmalz , C. Scheytt , P. Ostrovskyy Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz [Текст] // Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC’08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - рр.50-53
2. Voinigescu, S.P., Beerkens, R., Dickson, T.O., Chalvatzis, T. Design methodology and applications of SiGe BiCMOS cascode opamps with up to 37-GHz unity gain bandwidth [Текст] // IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, 2005. CSIC '05., Nov 2005
3. Jurisic, D., Moschytz, G.S., Mijat, N. Low active-sensitivity allpole active-RC filters using impedance tapering [Текст] // ISCAS '04. Proceedings of the 2004 International Symposium on Circuits and Systems, Volume 1, p.p. 89-92
4. Le Ye, Congyin Shi, Huailin Liao, Ru Huang, Yangyuan Wang Highly Power-Efficient Active-RC Filters With Wide Bandwidth-Range Using Low-Gain Push-Pull Opamps [Текст] // IEEE Transactions on Circuits and Systems, Volume: 60, Issue 1, p.p. 95-107
5. Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., K. Schmalz, C. Scheytt СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей [Текст] // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем- 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 583-586
6. Крутчинский С.Г., Устинова Е.С., Будяков П.С., Прокопенко Н.Н. Высокочастотные полосовые RC фильтры на повторителях тока [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1035 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
7. Крутчинский С.Г., Прокопенко Н.Н., Сухинин Б.М., Будяков П.С., Высокочастотные SiGe-избирательные усилители с узкой полосой пропускания [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012,
№3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1031 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
8. Прокопенко Н.Н., Крутчинский С.Г., Будяков П.С., Махмудов М.Н. Полосовые фильтры СВЧ и КВЧ диапазонов [Текст] // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2012. № 5. С. 35-39.
9. Krutchinsky, S.G. Active R-filters with additional RC-circuits [Текст] // Proceeding ICCSC'08, Bucharest, Romania, 2008, p.p. 105-100.
10. Избирательный усилитель : заявка на патент РФ [Текст]; МПК8 H03F 3/45, H03H 11/00, H03K 5/00 / Дворников О.В., Прокопенко Н.Н., Крутчинский С.Г., Бутырлагин Н.В. - № 2012137330/08; заявл. 31.08.2012 (473)
