УСИЛИТЕЛЬ НА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к усилительно-коммутационной технике в полупроводниковом микроэлектронном исполнении и может использоваться в многоканальных фотоприемных устройствах (ФПУ) инфракрасного диапазона для построения многоканального малошумящего усилителя.
Известен усилитель на базе операционного усилителя и полевого транзистора (см. журнал ВОТ, сер.11, 1979 г., Вып.64, а также журнал Прикладная физика №2, 1999 г., с.114-115). Принципиальная схема усилителя приведена на фиг.1.
Усилитель выполнен по неинвертирующей схеме. Фоторезистор (ФР) включен по схеме с динамической нагрузкой в виде выходного дифференциального сопротивления полевого транзистора VT1. Постоянное напряжение на ФР близко к величине Е1. Сигнал с нагрузки ФР поступает на неинвертирующий усилитель на базе операционного усилителя и усиливается. Отрицательная обратная связь по постоянному току через фильтр нижних частот R3C2 задает режим работы схемы по постоянному току и определяет нижнюю частоту амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя.
Данный усилитель имеет ряд существенных недостатков, главным из которых является невозможность его реализации в твердотельном варианте, в частности, из-за больших номиналов элементов R3 и С3, а также необходимости подбора режима работы транзистора VT1 с помощью источника Е2.
Известен усилитель (см. журнал Прикладная физика №2, 1999 г., с.114-118,а также журнал. ВОТ, Сер. 11, 1984 г. Вып.3), выполненный в виде отдельной микросхемы и предназначенный для многоэлементных ФПУ. Усилитель выполняет функцию предварительного усиления и коммутации сигналов от многоэлементных фотоприемников. Принципиальная схема одного канала предварительного усилителя (ПУ) приведена на фиг.2. Данный усилитель выполнен на р-канальных МОП-транзисторах и содержит входной усилительный транзистор VT8, включенный по схеме с общим затвором, цепь 1 задания смещения ФР на транзисторах и двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1-VT6. Первый каскад усиления выполнен на транзисторах VT1, VT2. Второй каскад усиления отделен от первого разделительным конденсатором С1 с ключом на VT3 и содержит усилительный транзистор VT6, включенный по схеме с общим истоком с нагрузочным транзистором VT5 и цепью формирования нижней частоты на элементах VT4 и С2. Конденсатор С3 служит для формирования верхней частоты АЧХ усилителя. Входное сопротивление усилителя много меньше сопротивления фоторезистора Rф. Таким образом, данный усилитель выполнен по схеме преобразователя ток- напряжение с последующим усилителем
напряжения. Данный усилитель, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип.
Основными недостатками описанного усилителя являются:
- сложность настройки усилителя, связанная с необходимостью регулировки его работы тремя дополнительными источниками напряжения (Е2, Е3, Е4);
- неопределенность работы транзистора VT4 по постоянному току;
- сильная зависимость основных параметров усилителя от параметров и режимов работы транзисторов;
- помехи от управляющего импульса ключевого транзистора VT3;
- использование МОП - транзисторов только одного типа (р-МОП), что значительно ограничило диапазон схемотехнических решений.
Известна также схема имитации (замещения или эквивалента) резистора схемой на переключаемых конденсаторах (см. «Схемы на операционных усилителях с переключаемыми конденсаторами» Я.Мулявка, Мир, 1992 г. с.100-105).
Настоящее предложение решает задачу построения многоканального твердотельного усилителя на КМОП - транзисторах не требующего настройки режимов работы транзисторов, у которого лишь некоторые параметры зависят от параметров и режимов работы транзисторов и могут регулироваться с помощью изменения частоты внешних управляющих импульсов.
Для решения этой задачи в известный усилитель на МОП транзисторах, содержащий входной усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим истоком с цепью задания смещения на транзисторах и нагрузкой, второй усилительный каскад, подключенный к первому, введен во входном усилительном каскаде каскад усиления тока на транзисторах по схеме «токового зеркала», выход которого подключен к конденсатору отрицательной обратной связи по переменному току и транзистору управляемого источника постоянного тока, образующими второй усилительный каскад, охваченный, для формирования нижней частоты АЧХ усилителя, цепью отрицательной обратной связи по постоянному току через RC-фильтр нижних частот с многозвенным резистором на переключаемых конденсаторах и подключенный к выходному фильтру нижних частот для формирования верхней частоты АЧХ усилителя на двух конденсаторах и транзисторе в ключевом режиме работы, причем сток транзистора управляемого источника постоянного тока, включенного по схеме с общим истоком, соединен с выходом токового зеркала, первой обкладкой конденсатора отрицательной обратной связи по переменному току, первой обкладкой первого конденсатора выходного фильтра нижних частот, входом ключа на транзисторе с импульсным управлением и первым концом резистора RC-фильтра, представляющим собой многозвенный эквивалент высокоомного резистора на переключаемых конденсаторах с двухфазным импульсным управлением, причем второй конец эквивалента резистора соединен с первой обкладкой выходного конденсатора RC-фильтра, второй обкладкой конденсатора отрицательной обратной связи, затвором транзистора управляемого источника постоянного тока и затвором
вспомогательного усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, исток которого соединен с истоком транзистора управляемого источника постоянного тока и общим проводом, а сток соединен со второй обкладкой выходного конденсатора RC-фильтра и со стоком и базой нагрузочного транзистора, исток которого соединен с общим источником положительного напряжения питания усилителя, выход ключа на транзисторе с импульсным управлением соединен с первой обкладкой конденсатора выходного фильтра нижних частот и является выходом усилителя, вторые обкладки конденсаторов выходного фильтра нижних частот соединены между собой и с общим проводом, а в качестве транзисторов используются комплементарные р-МОП и n-МОП транзисторы.
Во втором варианте предлагаемого усилителя содержится аналогичный входной усилительный каскад и каскад усиления тока по схеме «токового зеркала», нагруженный на транзистор управляемого источника постоянного тока, но преобразование ток-напряжение во втором каскаде происходит на интегрирующем (накопительном) конденсаторе со сбросом и с последующим амплитудным детектором на базе устройства выборки-хранения (УВХ).
В этом варианте в известный усилитель на МОП транзисторах, содержащий входной усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим истоком с цепью задания смещения на транзисторах и нагрузкой, второй усилительный каскад, подключенный к первому, введен во входном усилительном каскаде каскад усиления тока на транзисторах по схеме «токового зеркала», выход которого подключен к первой обкладке интегрирующего конденсатора, первому выводу ключевого транзистора сброса и транзистору управляемого источника постоянного тока, образующими второй усилительный каскад, охваченный, для формирования нижней частоты АЧХ усилителя, цепью отрицательной обратной связи по постоянному току через RC-фильтр нижних частот с многозвенным резистором на переключаемых конденсаторах и подключенный к выходному устройству выборки-хранения с двумя управляющими входами, причем сток транзистора управляемого источника постоянного тока, включенного по схеме с общим истоком, соединен с выходом токового зеркала, первой обкладкой интегрирующего конденсатора, вторая обкладка которого соединена с общим проводом, входом устройства выборки-хранения, первым выводом ключевого транзистора сброса, второй вывод которого соединен с источником постоянного напряжения сброса, а затвор является первым управляющим входом, первым концом резистора RC-фильтра, представляющим собой многозвенный эквивалент высокоомного резистора на переключаемых конденсаторах с двухфазным импульсным управлением, причем второй конец эквивалента резистора соединен с первой обкладкой выходного конденсатора RC-фильтра, затвором транзистора управляемого источника постоянного тока и затвором вспомогательного усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, исток которого соединен с истоком транзистора управляемого источника постоянного тока и общим проводом, а сток соединен со второй обкладкой выходного конденсатора RC-фильтра, стоком и базой нагрузочного транзистора, исток которого соединен с общим источником положительного напряжения питания усилителя, причем
выход устройства выборки-хранения является выходом усилителя, а в качестве транзисторов используются комплементарные р-МОП и n-МОП транзисторы.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема аналога, на фмг.2 - схема прототипа Б1163КН1-2, на фиг.3а, б - варианты схемы предлагаемого усилителя.
Заявляемый усилитель содержит входной усилительный каскад на транзисторе VT1, включенном по схеме с общим затвором с цепью 1 задания смещения ФР, подключенной к затвору, нагруженный в цепи стока на транзисторный каскад усиления тока, выполненный по схеме «токового зеркала» 2. Выход схемы токового зеркала нагружен на управляемый источник постоянного тока на транзисторе VT2, включенном по схеме с общим истоком, образующие вместе второй усилительный каскад. Транзистор VT2 охвачен двумя цепями отрицательной обратной связи: по постоянному и переменному току. Отрицательная обратная связь по постоянному току предназначена для формирования нижней частоты АЧХ усилителя и обеспечения режима работы второго каскада усиления по постоянному току. Эта цепь включена между стоком и затвором транзистора VT2 и представляет собой RC-фильтр нижних частот на переключаемых конденсаторах. При этом роль (высокоомного) резистора играет многозвенный эквивалент 3 резистора на N последовательно включенных схемах замещения резистора на переключаемых конденсаторах с двухфазным импульсным управлением (Ф1 иФ2). Каждое звено (схема замещения) может быть выполнено по нескольким различным схемным вариантам. Таким образом, эквивалент резистора RC-фильтра включен между стоком и затвором транзистора VT2.
9
10
Использование принципа многозвенного эквивалента резистора на схемах замещения резистора на переключаемых конденсаторах позволило реализовать номинал эквивалентного резистора (необходимый для обеспечения требуемой нижней частоты) величиной 10-10Ом и более, не зависящий от параметров ключей и изменяемый с помощью изменения частоты коммутации ключей. Реализация таких номиналов резисторов по традиционной полупроводниковой технологии является проблематичной.
К затвору транзистора VT2 подключен вспомогательный усилительный каскад на транзисторах VT3 и VT4, охваченный отрицательной обратной связью через конденсатор С2. Транзистор VT3 включен по схеме с общим истоком. Транзистор VT4 имеет противоположную полярность по сравнению с транзисторами VT1...VT3. Роль емкости выходного конденсатора RC-фильтра играет входная емкость вспомогательного усилительного каскада, которая больше емкости С2 из-за «эффекта Миллера» пропорционально коэффициенту усиления этого каскада.
Транзистор VT3 охвачен также цепью отрицательной обратной связи по переменному току, определяющей коэффициент усиления по напряжению второго усилительного каскада. Эта цепь включает конденсатор С2, включенный между стоком и затвором и входную емкость вспомогательного усилительного каскада. Выход второго усилительного каскада со стока транзистора VT2 подключен к выходному фильтру нижних частот, формирующему верхнюю частоту АЧХ усилителя, на конденсаторах С3, С4 и управляемом ключе на
транзисторе VT5 с учетом выходного сопротивления второго усилительного каскада.
Во втором варианте схемы предлагаемого усилителя вместо конденсатора обратной связи по переменному току, выход второго каскада нагружен на интегрирующий конденсатор С1, соединенный с ключом сброса на транзисторе VT5, выход которого подключен к источнику постоянного напряжения сброса +Есбр. Транзистор VT2, в отличие от первого варианта схемы, охвачен только отрицательной обратной связью по постоянному току.
Сигнал с интегрирующего конденсатора поступает на УВХ 4 с импульсным синхронным управлением. Выходной фильтр нижних частот в этом варианте схемы отсутствует.
5
7
Предлагаемый усилитель работает следующим образом. В первом варианте схемы входной транзистор VT1 рассчитан на работу с высокоомными резисторами (10-10 Ом), сопротивление которых много больше входного сопротивления транзистора VT1, так, что входным сигналом является ток сигнала. Сигнальный ток вместе с током покоя транзистора VT1 через исток и сток этого транзистора поступает на схему токового зеркала 2,усиливается там и с выхода токового зеркала поступает на второй каскад усиления на транзисторе VT2. При этом сигнальный ток с выхода схемы токового зеркала преобразуется на стоке транзистора VT2 в напряжение с коэффициентом усиления, определяемым параметрами транзистора VT2, номиналом конденсаторов С1 и С2, а также коэффициентом усиления вспомогательного усилительного каскада. Нижняя частота АЧХ усилителя определяется величиной конденсатора С1, а также величиной сопротивления многозвенного эквивалента высокоомного резистора RC-фильтра нижних частот 4, которая определяется номиналом используемых в нем конденсаторов, числом звеньев и периодом сигналов фаз управления Ф1 и Ф2. Выходной фильтр нижних частот (С3, VT5, С4) формирует верхнюю частоту АЧХ усилителя, которая определяется номиналами конденсаторов фильтра С3 и С4 и частотой импульса, управляющего транзисторным ключом на VT5. При этом, как показывает анализ, для большой скважности управляющего импульса выходное сопротивление транзистора VT2, конденсатор С3 и ключ на VT5 образуют эквивалентную схему резистора на переключаемых конденсаторах. Этот резистор и формирует вместе с конденсатором С4 верхнюю частоту усилителя. Следует отметить, что в этом варианте схемы верхняя и нижняя частоты АЧХ усилителя не зависят от параметров используемых транзисторов и только коэффициент передачи по току зависит от крутизны транзистора VT2.
сбр.
Во втором варианте схемы сигнальный ток и ток покоя с выхода токового зеркала разделяются по разным цепям. Ток покоя и низкочастотная часть сигнала поступают на транзистор VT2, а основная часть сигнального тока протекает через интегрирующий конденсатор С1 и преобразуется в напряжение, которое периодически сбрасывается на уровень сброса Е ключом на транзисторе VT5, в результате чего образуется пилообразное напряжение. Амплитуда пилообразного напряжения зависит от номинала конденсатора С1 и периода сброса-накопления сигнала. Далее синхронно-работающее УВХ выбирает амплитуду пилообразного сигнала и сохраняет ее до следующего момента выборки. Верхняя частота АЧХ
усилителя определяется, в соответствии с теоремой о дискретизации, частотой выборок УВХ. Нижняя частота АЧХ определяется параметрами эквивалентного высокоомного резистора, номиналом конденсатора С2, коэффициентом усиления вспомогательного усилительного каскада и крутизной транзистора VT2. Таким образом, в этом варианте схемы коэффициент передачи по току и верхняя частота АЧХ усилителя не зависят от параметров используемых транзисторов и только нижняя частота имеет такую зависимость от параметров транзисторов VT2...VT4.
Были изготовлены и испытаны экспериментальные образцы обоих вариантов предлагаемого усилителя в многоканальном твердотельном исполнении. Усилитель выполнялся по полупроводниковой КМОП - технологии.
На изготовленных образцах были получены следующие основные параметры (при нормальных климатических условиях):
- коэффициент передачи по току
не менее 30 Мом (для 1-го варианта)
не менее 50 Мом (для 2-го варианта)
- верхняя частота АЧХ
не менее 500 Гц (для 1-го варианта)
не менее 3 кГц (для 2-го варианта)
- нижняя частота АЧХ
не более 40 Гц (для 1-го варианта)
не более 5 Гц (для 2-го варианта)
- частота работы управляемых ключей
10 кГц (для 1-го варианта)\tab
4 кГц (для 2-го варианта)
- разброс параметров по каналам
не более 10% (для обоих вариантов)