ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ ДЛЯ КМОП-ТЕХПРОЦЕССОВ
DIFFERENTIAL INPUT STAGE OF HIGH-SPEED OPERATIONAL AMPLIFIER FOR CMOS TECHNOLOGICAL PROCESSES

Изобретение относится к области радиотехники и автоматики и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре быстродействующих аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, быстродействующих операционных усилителях (ОУ), мультидифференциальных ОУ и т.п.).
Известны схемы комплементарных входных каскадов ОУ на КМОП-транзисторах [1-18]. Дифференциальные входные каскады данного класса стали основным усилительным элементом многих аналоговых интерфейсов.
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является комплементарный дифференциальный входной каскад по патенту US 5.444.413, содержащий первый 1 и второй 2 входы, первый 3 и второй 4 входные полевые транзисторы, истоки которых объединены, а затворы связаны с соответствующими первым 1 и вторым 2 входами, объединенные истоки первого 3 и второго 4 входных полевых транзисторов подключены через цепь смещения потенциалов 5 к объединенным затворам первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, объединенные затворы первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 9, третий 10 и четвертый 11 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены со второй 12 шиной источника питания через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, затвор третьего 10 входного полевого транзистора подключен к первому 1 входу устройства, затвор четвертого 11 входного полевого транзистора соединен со вторым 2 входом устройства, сток третьего 10 входного полевого транзистора соединен с истоком первого 6 выходного транзистора, сток четвертого 11 входного полевого транзистора соединен с истоком второго 7 выходного транзистора, причем первый 14 токовый выход устройства, согласованный со второй 12 шиной источника питания, соединен со стоком первого 3 входного полевого транзистора, второй 15 токовый выход устройства, согласованный со второй 12 шиной источника питания, соединен со стоком второго 4 входного полевого транзистора, третий 16 токовый выход устройства, согласованный с первой 8 шиной источника питания, соединен со стоком первого 6 выходного транзистора, а четвертый 17 токовый выход устройства, согласованный с первой 8 шиной источника питания, соединен со стоком второго 7 выходного транзистора.
гр
вх.max
гр
к
Существенный недостаток известного дифференциального входного каскада (ДК) состоит в том, что он имеет сравнительно узкий динамический диапазон (U) линейного усиления дифференциальных сигналов (U<U≈100÷150 мВ) [19]. Как показано в монографиях авторов настоящей заявки [19-20], это обстоятельство является главной причиной невысокого быстродействия современных операционных усилителей, обусловленной нелинейным режимом работы их входного ДК. При этом для большинства ОУ с высокоимпедансным узлом и одним корректирующим конденсатором (С) максимальная скорость нарастания выходного напряжения определяется формулой [19-20]:
cp
где f - частота единичного усиления (частота среза) скорректированного ОУ;
гр
вых
вх
гр
U - напряжение ограничения проходной характеристики i=f(u) входного каскада (для классических ДК на биполярных транзисторах и полевых транзисторах в микрорежиме U=50÷100 мВ).
ΒΜΧ
Из (1) следует, что повышение υ можно осуществить двумя качественно разными путями [19-20]:
гр
1. Увеличением диапазона активной работы входного ДК (т.е. напряжения U) без изменения крутизны преобразования входного напряжения в выходные токи ДК.
cp
2. Повышением f за счет улучшения частотных свойств транзисторов, что связано, прежде всего, с использованием более высокочастотных и дорогостоящих техпроцессов (SG25VD, SG25H1,SG25RH и др.).
гр
Заявляемый входной каскад ОУ решает задачу повышения быстродействия за счет увеличения в несколько раз диапазона активной работы входного каскада (без изменения его крутизны), измеряемого напряжением ограничения (U).
Кроме этого предлагаемый ДК достаточно эффективен в мультидифференциальных ОУ [21, 22], где от входных каскадов требуется достаточно широкий диапазон линейной работы.
вых
вх
Таким образом, основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона активной работы дифференциального входного каскада - получении граничных напряжений его проходной характеристики i=f(u) на уровне нескольких вольт.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном входном каскаде быстродействующего операционного усилителя для КМОП-техпроцессов (фиг. 1), содержащем первый 1 и второй 2 входы, первый 3 и второй 4 входные полевые транзисторы, истоки которых объединены, а затворы связаны с соответствующими первым 1 и вторым 2 входами, объединенные истоки первого 3 и второго 4 входных полевых транзисторов подключены через цепь смещения потенциалов 5 к объединенным затворам первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, объединенные затворы первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 9, третий 10 и четвертый 11 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены со второй 12 шиной источника питания через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, затвор третьего 10 входного полевого транзистора подключен к первому 1 входу устройства, затвор четвертого 11 входного полевого транзистора соединен со вторым 2 входом устройства, сток третьего 10 входного полевого транзистора соединен с истоком первого 6 выходного транзистора, сток четвертого 11 входного полевого транзистора соединен с истоком второго 7 выходного транзистора, причем первый 14 токовый выход устройства, согласованный со второй 12 шиной источника питания, соединен со стоком первого 3 входного полевого транзистора, второй 15 токовый выход устройства, согласованный со второй 12 шиной источника питания, соединен со стоком второго 4 входного полевого транзистора, третий 16 токовый выход устройства, согласованный с первой 8 шиной источника питания, соединен со стоком первого 6 выходного транзистора, а четвертый 17 токовый выход устройства, согласованный с первой 8 шиной источника питания, соединен со стоком второго 7 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - исток первого 3 входного транзистора соединен со стоком четвертого 11 входного полевого транзистора через первый 18 дополнительный резистор, исток второго 4 входного транзистора соединен со стоком третьего 10 входного полевого транзистора через второй 19 дополнительный резистор и через дополнительную цепь смещения потенциалов 20 связан с затвором второго 7 выходного транзистора, который подключен ко второй 12 шине источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 21.
Схема усилителя-прототипа представлена на фиг. 1. На фиг. 2 показано заявляемое устройство в соответствии с формулой изобретения.
На фиг. 3 показана схема заявляемого дифференциального каскада с идеальными источниками цепи смещения потенциалов 5 и дополнительной цепи смещения потенциалов 20 в среде компьютерного моделирования PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар».
1
На фиг. 4 показана зависимость выходных токов ДК-прототипа от изменения входного дифференциального напряжения при малом суммарном токе его общей истоковой цепи (I=10 мкА). Из данного графика следует, что диапазон активной работы ДК-прототипа лежит в пределах 100-150 мВ и практически не отличается от диапазона активной работы классических дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах [19, 20]. Данное обстоятельство является основной причиной невысокого быстродействия КМОП-операционных усилителей на основе известной схемы ДК.
На фиг. 5 приведена схема фиг. 3, в которой последовательно с первым 18 и вторым 19 дополнительными резисторами введены дополнительные нелинейные элементы (p-n переходы), расширяющие возможности исходной схемы при работе с большими входными сигналами.
На фиг. 6 представлена зависимость выходных токов ДК фиг. 5 при разных значениях напряжений цепи смещения потенциалов 5 и дополнительной цепи смещения потенциалов 20. Данный график показывает, что в схеме фиг. 5 возможно формирование зон нечувствительности на проходной характеристике, что расширяет возможности исходной схемы.
На фиг. 7 представлена схема заявляемого ДК фиг. 2, в котором источники напряжения цепи смещения потенциалов 5 и дополнительной цепи смещения потенциалов 20 выполнены, в частном случае, на полевых транзисторах с закороченными выводами затвора и стока.
На фиг. 8 приведены проходные характеристики съемы фиг. 7 в мелком, а на фиг. 9 - в крупном масштабах при разных значениях сопротивлений первого 18 и второго 19 дополнительных резисторов.
13
На фиг. 10 в качестве примера показана схема микромощного (I=10 мкА) быстродействующего КМОП-операционного усилителя в среде Cadence на базе заявляемого ДК фиг. 2.
k
На фиг. 11 приведены амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя фиг. 10 со 100% отрицательной обратной связью при различных значениях традиционной емкости коррекции C.
вых
На фиг. 12 приведены графики переходных процессов в ОУ фиг. 10 при бесконечно больших сопротивлениях первого 18 и второго 19 дополнительных резисторов. В данном режиме схема фиг. 10 соответствует применению в ОУ схемы ДК-прототипа фиг. 1. Рассмотрение графиков фиг. 10 показывает, что максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ на базе известного ДК составляет ϑ=0,5 В/мкс.
вых
На фиг. 13 приведены графики переходных процессов в ОУ фиг. 10 при сопротивлениях первого 18 и второго 19 дополнительных резисторов, равных 1 кОм. Рассмотрение графиков фиг. 10 показывает, что максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ на базе заявляемого ДК при работе его транзисторов в микрорежиме (5÷10 мкА) составляет ϑ=10 В/мкс.
Дифференциальный входной каскад быстродействующего операционного усилителя для КМОП-техпроцессов фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входы, первый 3 и второй 4 входные полевые транзисторы, истоки которых объединены, а затворы связаны с соответствующими первым 1 и вторым 2 входами, объединенные истоки первого 3 и второго 4 входных полевых транзисторов подключены через цепь смещения потенциалов 5 к объединенным затворам первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, объединенные затворы первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 9, третий 10 и четвертый 11 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены со второй 12 шиной источника питания через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, затвор третьего 10 входного полевого транзистора подключен к первому 1 входу устройства, затвор четвертого 11 входного полевого транзистора соединен со вторым 2 входом устройства, сток третьего 10 входного полевого транзистора соединен с истоком первого 6 выходного транзистора, сток четвертого 11 входного полевого транзистора соединен с истоком второго 7 выходного транзистора, причем первый 14 токовый выход устройства, согласованный со второй 12 шиной источника питания, соединен со стоком первого 3 входного полевого транзистора, второй 15 токовый выход устройства, согласованный со второй 12 шиной источника питания, соединен со стоком второго 4 входного полевого транзистора, третий 16 токовый выход устройства, согласованный с первой 8 шиной источника питания, соединен со стоком первого 6 выходного транзистора, а четвертый 17 токовый выход устройства, согласованный с первой 8 шиной источника питания, соединен со стоком второго 7 выходного транзистора. Исток первого 3 входного транзистора соединен со стоком четвертого 11 входного полевого транзистора через первый 18 дополнительный резистор, исток второго 4 входного транзистора соединен со стоком третьего 10 входного полевого транзистора через второй 19 дополнительный резистор и через дополнительную цепь смещения потенциалов 20 связан с затвором второго 7 выходного транзистора, который подключен ко второй 12 шине источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 21.
вх1-2
18
19
9
21
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2. Статические токи всех транзисторов схемы (при u=0, R=R=∞) определяются токами I и Ι токостабилизирующего двухполюсника 9 и дополнительного токостабилизирующего двухполюсника 21.
вх1-2
вх1-2
13
вх
Если на вход Вх. 1 подается положительное напряжение u, то оно с единичным коэффициентом передается в исток первого 3 входного полевого транзистора. При малых токах второго 13 токостабилизирующего двухполюсника (5÷10 мкА) третий 10 входной полевой транзистор «запирается» уже при u=100÷150 мВ. Практически весь ток Ι перераспределяется далее в исток четвертого 11 входного полевого транзистора. Следует также заметить, что напряжение на истоках второго 4 входного полевого и второго 7 выходного полевого транзисторов (при дальнейшем увеличении u) не изменяется.
18
19
вх1-2
0
вх1-2
13
Рассмотрим далее работу схемы фиг. 2 при R=R=0,5÷2 кОм, а также дальнейшем (u>150 мВ) увеличении амплитуды входного сигнала. Если в статическом режиме выбрать напряжение смещения Е цепи смещения потенциалов 5 и дополнительной цепи смещения потенциалов 20 таким образом, что статические токи через первый 18 и второй 19 дополнительные резисторы будут близки к нулю, то дальнейшее увеличение u>100÷50 мВ будет «выделяться» на первом 18 и втором 19 дополнительных резисторах. Как следствие, в этом режиме начинает увеличиваться ток истока (стока) первого 3 входного полевого и второго 7 выходного транзисторов, а также выходной ток ДК (для первого 14 и второго 17 токовых выходов устройства). Графики фиг. 6, фиг. 8, фиг. 9 подтверждают, что предлагаемый ДК обеспечивает достаточно большие выходные токи (значительно превышающие статический ток I=5÷10 мкА). Заметим, что данный режим характерен для транзисторных каскадов класса «АВ».
гр
Таким образом, ДК фиг. 2 работает как каскад класса «АВ». Его максимальные выходные токи существенно превышают микроамперные статические токи транзисторов (3, 4, 6, 7). Наряду с более высоким значением U это является существенным достоинством ДК, фиг. 2, позволяющим более чем на порядок (в 20 раз) повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения, например, в операционном усилителе или уменьшить время установления переходного процесса в компенсационном стабилизаторе напряжения с использованием ДК, фиг. 2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент EP 0601560 fig.3.
2. Патент US №7.701.291 fig. 3.
3. Патентная заявка US 2006/0139098.
4. Патентная заявка US 2010/0327974 fig. 4.
5. Патент US №7.408.410.
6. Патентная заявка US 2009/0237163 fig. 2.
7. Патент US №7.595.695.
8. Патент WO 2007049390.
9. Патент US №7.567.124.
10. Патент US №7.741.911.
11. Патент US №4.377.789.
12. Патент US №6.794.940.
13. Патент US №6.538.512.
14. Патент US №6.590.980.
15. Патент US №7.265.621.
16. Патент US №7.259.626.
17. Патент US №7.209.006.
18. Патент US №6.842.073.
19. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: монография / Н.Н.Прокопенко. - Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. - С.11, формула (1.5).
20. Прокопенко Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.
21. Прокопенко Н.Н. Основные параметры и уравнения базовых схем включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Бутырлагин, И.В. Пахомов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2014. Сборник трудов. Часть 3 / Под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2014. - С. 111-116.
22. Прокопенко Н.Н. Основные свойства, параметры и базовые схемы включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, П.С. Будяков // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы, выпуск 2 (233) 2014. - С. 53-64.