Содержание к диссертации
Введение 5
1. Основные динамические параметры и характеристики
быстродействующих операционных усилителей с прецизионными
: динамическими характеристиками 12
1.1. Линейные эффекты 13
І 1.2. Нелинейные эффекты 14
Динамика ОУ с квазилинейными входными каскадами 16
Переходные процессы в ОУ при длительном выключении промежуточного каскада 18
Погрешности усиления в ОУ с нелинейными каскадами 20
Выводы 22
2. Структурные методы обеспечения динамических параметров
операционных усилителей 24
2.1. Структурные методы устранения динамической асимметрии
быстродействующих операционных усилителей 24
Рейтинговая оценка динамических параметров входных каскадов... 25
Архитектура сверхбыстродействующих ОУ 28
Быстродействующие ОУ на основе «перегнутых» каскодов 37
Операционные усилители с аддитивной нелинейной коррекцией 42
2.4. Сравнительный анализ предельных динамических параметров 46
2.4.1. Существенные нелинейности входных каскадов 47
t 2.4.2. Обобщенные функциональные схемы
сравниваемых операционных усилителей 49
Параметры ОУ при одинаковых усилениях без обратной связи 50
Параметры ОУ при одинаковых петлевых усилениях 54
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения в нелинейных режимах 56
Быстродействие в линейных режимах 58
Частотные характеристики в режиме неинвертирующих усилителей 59
Частотные характеристики в режиме
инвертирующих усилителей 61
2.4.9. Влияние малых постоянных времени 62
2.5. Операционные усилители с обобщенной токовой обратной связью 63
2.5.1. Основные свойства и характеристики 66
2.6. Быстродействующий ОУ с обобщенной
потенциальной обратной связью 72
2.7. Проблемы терминологии и условных обозначений 77
Расширенная классификация ОУ. 77
Выбор параметров линейной и нелинейной обратных связей 81
Архитектура ОУ с двумя параллельными
четырехполюсниками обратной связи 85
2.8. Выводы 87
3. Основы схемотехники базовых функциональных узлов
операционных усилителей 90
Нелинейная коррекция в комплементарных дифференциальных усилителях 90
Квазилинейные дифференциальные усилители
без динамической асимметрии 99
Повторители тока с нелинейным параллельным каналом 106
Выходные каскады на основе «бриллиантового» транзистора 112
Энергетические ограничения для входных каскадов
ОУ с предельным быстродействием 113
3.6. Выводы 122
4. Схемотехника операционных усилителей с предельным
малосигнальным быстродействием 123
4.1. Влияние временной задержки на запас по фазе
операционного усилителя 124
4.2. Анализ расположения полюсов перспективных подсхем ОУ
с минимальной электрической длиной 128
4.3. Сравнение частотных характеристик ОУ
с минимальной электрической длинной 132
4.4. Низковольтный p-n-p/n-p-n ОУ
с минимальной электрической длиной 136
Применение p-n-p/n-p-n ОУ с минимальной электрической длиной.... 139
Применение цепей компенсации паразитных емкостей 141
Выводы 146
5. Экспериментальные исследования быстродействующих
операционных усилителей и устройств автоматики на их основе 147
Быстродействующий ОУ на основе «перегнутого» каско да 147
Быстродействующий операционный усилитель
с нелинейной токовой обратной связью 152
Инструментальные сверхширокополосные усилители 154
Выводы 163
Заключение 164
Библиографический список 166
Приложение 180
Введение к работе
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, алгоритмові исключения'динамической перегрузки каскадов ОУ и способов введения обратных связей.
Задача обеспечения предельного быстродействия ОУ (максимальной скорости нарастания выходного напряжения - SBblx, времени установления для за-
данной зоны динамической ошибки (tycr) по обеим полярностям выходного сигнала, частоты единичного усиления - f^,) 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, ШР, 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 ІР-блоков [10] на базе существующих российских биполярных микронных технологий, в частности ФРУП НЛП «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. Смолова В.Б., д.т.н., проф. УгрюмоваЕ.П. (СПбЭТУ), д.т.н. проф. Волгина Л.И. (Ульяновский государственный технический университет), к.т.н. Ма-
тавкина В:В1 (РЗПП «Альфа», Латвия), д.т.ш, проф. Прокопенко Н;Н. (ЮРРУЭО)^ а также зарубежных специалистов Ivanov V.V. (Texas Instruments, USA), Farhiood; Mbraveji'. (Micrel, USA) и др: Декомпозированный^подход, к сретению, задач повышения быстродействия У был описан в публикациях проф. АнисимовагВіИі [11], проф. Прокопенко Н.КЕ [12] и др; Преемственность, использованных в диссертацииіметодов подтверждена 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» бы-
-' стродействия ОУ в і линейных, и нелинейных режимах, исследовать эф
фекты, возникающие при динамической перегрузке основных функцио
нальных узлов с целью определения рекомендаций по проектированию
быстродействующих ОУ с предельными значениями: динамических пара
метров.
2. Разработать структурные методы исключения динамической; асимметрии;
в быстродействующих ОУ с целью обеспеченияшредельного, быстродей
ствия; ОУ прш обработке импульсных входных^ сигналов различной: по
лярности.,
3; Провести^ сравнительный» анализ; динамических! параметров* решающих усилителей;на? основе ОУ с обратной і связью по. напряжению > (OGH) 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.
Разработать комбинированные способы введения обратных связей, сочетающие преимущества известной токовой обратной связи и обратной связи по напряжению.
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»).
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 НЛП «Пульсар» (г. Москва) и СВЧ технологиям SiGe БиКМОП разработанным в научно-исследовательском, институте ШР (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;
В первой главе рассматриваются особенности работы быстродействующих ОУ, имеющих^ изломы на частотной- характеристике петлевого усиления, а также динамики работы ОУ с квазилинейными входными каскадами. Показана возможность использования декомпозированного подхода к решению задачи
нелинейной динамики ОУ. Исследованы переходные процессы в ОУ при длительном выключении промежуточного каскада. Определены погрешности усиления в ОУ с нелинейными.каскадами.
Вторая глава посвящена исследованию структурных методов обеспечения динамических параметров ОУ с обратной связью по напряжению и с токовой обратнойсвязью.
Исследовано явление динамической асимметрии входных дифференциальных каскадов с нелинейными корректирующими цепями и предложен способ её описания в произвольном дифференциальном каскаде (ДК) быстродействующего ОУ для положительного и отрицательного фронтов входного импульсного напряжения. Такое описание позволило в каждом конкретном случае построить рейтинговые таблицы для всех потенциально возможных выходов ДК, а далее - структурную схему сверхбыстродействующего ОУ с минимальным количеством каскадов для инвертирующего и/или неинвертирующего включений. При этом выбор структуры ОУ с минимальным числом каскадов осуществляется путем перебора ограниченного количества сочетаний выходов ДК в условиях заданных ограничений на другие параметры ОУ.
Предложена новая архитектура широкополосного быстродействующего ОУ на основе «перегнутого» каскода с нелинейными параллельными каналами передачи «большого» сигнала.
Разработан новый способ повышения быстродействия ОУ с непосредственной связью каскадов, заключающийся в изменении принципа формирования дополнительного зарядно-разрядного тока корректирующего конденсатора. При его реализации отсутствует необходимость «разрушения» структуры классического входного дифференциального каскада - требуется лишь параллельное включение двух идентичных каналов (линейных или нелинейных), что позволяет создавать быстродействующие микромощные ОУ с хорошими статическими параметрами.
Проведен сравнительный анализ динамических параметров ОУ с ОСН и ОУ с ТОС, получены конкретные условия, при которых ОУ с ОСН могут иметь
более высокие значения скорости нарастания выходного напряжения, чем ОУ с ТОС. Разработаны архитектуры быстродействующих ОУ с обобщенной обратной связью. Такие ОУ позволяют сохранить> все преимущества ОУ с ОСН и обеспечить постоянную полосу пропускания при изменении коэффициента передачи операционных преобразователей на их основе. Проведен анализ усилителей с нелинейными параллельными каналами и комбинированными обратными связями. Предложена расширенная классификация таких усилителей, учитывающая тип обратной связи на малом и большом сигналах и его полярности. Это позволило систематизировать структурные методы повышения быстродействия ОУ с нелинейными параллельными каналами.
Третья глава посвящена исследованию схемотехники функциональных узлов быстродействующих операционных усилителей.
Разработаны методики проектирования каскадов ОУ с повышенным быстродействием на основе новых типов нелинейных корректирующих цепей и цепей линейной динамической коррекции, позволяющие приблизить скорость нарастания выходного напряжения ОУ и его время установления в пределах заданной зоны динамической ошибки к предельным значениям.
Определены энергетические ограничения для входных каскадов быстродействующих ОУ с широким диапазоном активной работы, устанавливающие связь между максимальной рассеиваемой мощностью на коллекторе транзистора входного каскада и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения ОУ. Предложена методика построения цепей «интеллектуальной» защиты входных каскадов, отличающихся от классических схем возможностью повысить надежность быстродействующего ОУ без ухудшения его динамических параметров.
В четвёртой главе разработаны архитектура, схемотехника и рекомендации по проектированию ОУ с предельными значениями частоты, единичного усиления и минимальной электрической длиной. Применение предлагаемой схемотехники позволило создать СВЧ ОУ и операционные преобразователи на
их основе (с глубиной обратной связи до 100%) в базисе компонентов современных SiGe технологий; разработанных в институте ШР.
Предложены схемно-топологические методы компенсации паразитных емкостей активных компонентов ОУ, способствующие' расширению малосигнальной полосы пропускания в 5-^10 раз для микронных, технологий ФРУП1 НШІ «Пульсар» и в 1,6 раз для SiGe технологий института;ШР.
В пятой главе разработаны и исследованы в среде PSpice схемы ОУ с повышенным быстродействием на основе технологии ФРУП ШШ «Пульсар»: Предложенные схемотехнические решения открывают широкие возможности для производства конкурентоспособных аналоговых микросхем и позволяют частично решить проблему импортозамещения? этого класса ИМС с использованием широко распространенных и относительно недорогих микронных технологий. Приведены результаты моделирования ОУ (в среде Cadence Virtuoso) >. с предельными значениями частоты единичного усиления и сверхширокополосных инструментальных усилителей на их; основе в базисе компонентов технологического процесса SGB25VD (ШР, Франкфурт на Одере, Германия), который осваивается рядом промышленных предприятий Российской Федерации. Предложенные схемотехнические решения представляют значительный практический интерес при построении базовых функциональных узлов устройств автоматики и систем передачи информации.
