БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИНТЕГРИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ НА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ

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 интегрирующего усилителя.
Известен интегратор со сбросом на базе операционного усилителя (см. «Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов» Е.А.Коломбет, Радио и связь, 1991 г., с.108). Однако, эта схема не позволяет сформировать рабочую полосу частот и малопригодна для многоканальной твердотельной реализации по КМОП-технологии.
Известны принципы построения интеграторов и фильтров верхних и нижних частот с использованием схем на операционных усилителях с переключаемыми конденсаторами, а также схемы имитации (замещения или эквивалента) резистора схемой на переключаемых конденсаторах (см. «Схемы на операционных усилителях с переключаемыми конденсаторами» Я.Мулявка, Мир, 1992 г., с.100-112). Однако, использование операционных усилителей в многоканальных усилителях проблематично из-за их громоздкости и недостаточного быстродействия.
Известен высокочастотный усилитель на базе специализированного операционного усилителя (см. журнал Прикладная физика №1, 2002 г., с.103-104), предназначенный для усиления импульсных сигналов от pin-фотодиодов. При этом импульс тока от фотодиода интегрируется на собственной емкости фотодиода и входной емкости усилителя и полученный импульс напряжения усиливается полосовым усилителем на базе микросхемы БУТИ.431136.007. Верхняя частота микросхемы и всего усилителя на ее основе определяется внутренней емкостью коррекции микросхемы. Усиление усилителя в области средних частот определяется
отношением номиналов резисторов делителя обратной связи. Нижняя частота определяется резистором и конденсатором нижнего плеча делителя обратной связи. Интегрирование входного фототока происходит на входном интегрирующем конденсаторе (емкость фотодиода и входная емкость усилителя). Входной резистор обеспечивает требуемую постоянную времени разряда входного интегрирующего конденсатора.
Данный усилитель, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип.
Данный усилитель имеет ряд недостатков. Так в процессе интегрирования и изменения напряжения на входе усилителя изменяется положение рабочей точки фотодиода что не всегда приемлемо. Одним из главных недостатков этого усилителя является невозможность его реализации в многоканальном твердотельном полупроводниковом исполнении из-за большого номинала конденсатора нижнего плеча делителя обратной связи (десятки нанофарад); сложность схемы операционного усилителя и ее несовместимость с КМОП - технологией. В этом усилителе нет возможности оперативно изменять рабочую полосу частот с помощью внешних управляющих импульсов, а также он имеет большой ток потребления и требует использования двух источников питания.
Настоящее предложение решает задачу построения твердотельного быстродействующего интегрирующего усилителя на КМОП - транзисторах, обеспечивающего режим «короткого замыкания» по входному току, и с возможностью оперативного изменения рабочей полосы частот с помощью внешних управляющих импульсов, адаптированного для использования в многоканальной БИС с выходным коммутатором.
Для решения этой задачи в известный усилитель на транзисторах, содержащий входной интегрирующий конденсатор, цепь разряда, подключенную первым и вторым выводами к первому и второму выводу входного интегрирующего конденсатора соответственно, причем первый
вывод входного интегрирующего конденсатора является входом усилителя, полосовой усилитель напряжения, содержащий первый усилительный каскад, первый вывод которого подключен к источнику питания, делитель обратной связи с разделительным конденсатором, который подключен к инвертирующему входу первого усилительного каскада, введены второй усилительный каскад и выходное устройство выборки-хранения, а полосовой усилитель напряжения выполнен с возможностью инвертирования фазы входного сигнала и содержит усилительный транзистор первого усилительного каскада, вторую цепь нагрузки первого усилительного каскада, вход которой является первым выводом первого усилительного каскада, конденсатор обратной связи, цепь сдвига уровня, первую и вторую схемы имитации резистора на переключаемых конденсаторах делителя обратной связи, а цепь разряда выполнена в виде ключевого транзистора, затвор которого является управляющим входом усилителя, а первый и второй выводы являются соответственно первым и вторым выводами цепи разряда, причем второй усилительный каскад содержит первую цепь нагрузки, усилительный транзистор, исток которого подключен к общему проводу, а затвор подключен к первому выводу входного интегрирующего конденсатора, первому выводу цепи разряда и является входом усилителя, а вход и выход первой цепи нагрузки, соответственно подключены к источнику питания, и ко второму выводу входного интегрирующего конденсатора, стоку усилительного транзистора и входу полосового усилителя напряжения, являющемуся входом первой схемы имитации резистора на переключаемых конденсаторах с первым и вторым управляющими входами, выход которого подключен к первому выводу разделительного конденсатора, второй вывод разделительного конденсатора подключен к объединенным первому выводу конденсатора обратной связи, затвору усилительного транзистора, являющемуся инвертирующим входом первого усилительного каскада и выходу второй схемы имитации
резистора на переключаемых конденсаторах с первым и вторым управляющими входами, вход которой подключен к выходу цепи сдвига уровня, первый вход которой подключен к общему проводу, второй вход подключен к источнику питания, а третий вход подключен к объединенным второму выводу конденсатора обратной связи, стоку усилительного транзистора первого усилительного каскада, выходу второй цепи нагрузки первого усилительного каскада и входу усилителя выборки-хранения с первым и вторым управляющими входами, являющимися входами сброса и выборки соответственно, а его выход является выходом усилителя.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема быстродействующего интегрирующего усилителя на КМОП-транзисторах, где 1 - второй интегрирующий каскад, 2 - усилительный транзистор, 3 - первая цепь нагрузки, 4 - входной интегрирующий конденсатор, 5 - цепь разряда, 6 - полосовой усилитель напряжения, 7 - выходное устройство выборки-хранения (УВХ), 8 - первый усилительный каскад, 9 - усилительный транзистор, 10 - вторая цепь нагрузки, 11 - первый имитатор резистора на переключаемых конденсаторах, 12 - первый управляющий вход первого имитатора резистора на переключаемых конденсаторах, 13 - второй управляющий вход первого имитатора резистора на переключаемых конденсаторах, 14 - разделительный конденсатор, 15  - второй имитатор резистора на переключаемых конденсаторах, 16 - первый управляющий вход второго имитатора резистора на переключаемых конденсаторах, 17 второй управляющий вход второго имитатора резистора на переключаемых конденсаторах, 18 - конденсатор обратной связи, 19 - цепь сдвига уровня, 20 - делитель обратной связи, 21 - ключевой транзистор, затвор которого является управляющим входом усилителя, 22 - первый управляющий вход УВХ, 23 - второй управляющий вход УВХ.
Предлагаемый усилитель работает следующим образом. Второй усилительный каскад 1, охваченный отрицательной обратной связью через
входной интегрирующий конденсатор 4 и цепь разряда 5 выполняют функцию интегратора входного тока. Входной импульсный и постоянный ток в течение времени интегрирования (накопления) Тн интегрируется и превращается на входном интегрирующем конденсаторе 4 с инверсией фазы в напряжение, после чего производится сброс входного интегрирующего конденсатора 4 импульсом R поступающим на затвор ключевого транзистора 21 через управляющий вход усилителя в течение времени Тсбр. и цикл интегрирования повторяется. Для облегчения многоканальной твердотельной реализации и повышения быстродействия второй усилительный каскад 1 и первый усилительный каскад 8 выполнены однотипными и с минимальным числом элементов - на одном усилительном транзисторе (2 и 9 соответственно) с цепью нагрузки (3 и 10 соответственно).
В качестве одного из способов реализации цепи нагрузки может быть использован транзистор противоположной полярности с внешним смещением. Второй усилительный каскад 1, охваченный отрицательной обратной связью через входной интегрирующий конденсатор 4 обеспечивает требуемый режим «короткого замыкания» по входу, так что в процессе работы постоянное напряжение на входе усилителя почти не меняется, а переменное - близко к нулю. В результате рабочее напряжение на фотоприемнике не изменяется, что в ряде случаев является важным требованием. В конце периода накопления перед приходом импульса R сброса ключевого транзистора 21 цепи разряда 5 производится выборка и последующее хранение величины накопленного напряжения с помощью входного ключа и конденсатора, входящих в первую схему имитации резистора на переключаемых конденсаторах 11 и затем сигнал усиливается полосовым усилителем 6. Схемы имитации резистора на переключаемых конденсаторах 11 и 15 могут содержать одно или несколько звеньев, каждое из которых может быть реализовано по одной из возможных схем имитации с использованием в качестве ключей МОП-транзисторов.
Управление ключами первой 11 и второй 15 схем имитации резистора на переключаемых конденсаторах осуществляется с помощью управляющих импульсов, подаваемых на управляющие входы 12, 13, 16 и 17. УВХ 7 управляется от двух управляющих импульсов 22 (сброс) и 23 (выборка). Минимальное число управляющих импульсов равно трем. На рис.1 в качестве примера реализации подачи управляющих импульсов показаны три вида управляющих импульсов: F1, F2, и R. Все управляющие импульсы синхронизированы и имеют одинаковый период следования. Импульсы F1 и F2 сдвинуты относительно друг друга и не пересекаются во времени. Импульс R имеет длительность, необходимую для сброса входного интегрирующего конденсатора 4 и сброса УВХ 7. Величина имитируемого схемами 11 и 15 сопротивления прямо пропорциональна величине Тн и числу звеньев и обратно пропорциональна номиналу используемых в ней конденсаторов. Верхняя частота полосового усилителя напряжения 6 определяется номиналами конденсатора 14 и имитируемого схемой 11 сопротивления. Нижняя частота полосового усилителя 6 определяется номиналом имитируемого схемой 15 сопротивления и номиналом конденсатора отрицательной обратной связи 18. Нижняя частота полосового усилителя 6, как и верхняя, пропорциональна величине Тн и может изменяться с помощью изменения частоты управляющих импульсов. Усиление в области средних частот определяется отношением номиналов конденсаторов 14 и 18. Цепь сдвига уровня 19 определяет положение рабочей точки (по постоянному току) на выходе полосового усилителя и выбирается из условия обеспечения требуемого динамического диапазона выходного сигнала. Коэффициент деления цепи сдвига уровня по переменному току влияет на нижнюю частоту полосового усилителя.
Цепь сдвига уровня может быть реализована, например, с помощью буферного каскада на двух МОП-транзисторах. Изменяя размеры транзисторов, можно изменять постоянное напряжение на выходе
усилителя. Быстродействие заявляемого интегрирующего усилителя определяется вторым усилительным каскадом и обеспечивается наличием режима "короткого замыкания" на входе, однокаскадной однополюсной схемой второго усилительного каскада 1, малыми паразитными емкостями в твердотельном исполнении схемы, а также возможностью предварительного частичного интегрирования импульса фототока на собственной емкости фотодиода с последующим перетеканием на емкость интегратора. Усилительные свойства схемы характеризуются параметром "Коэффициент передачи заряда," имеющем размерность 1/Ф, т.е. величиной эквивалентной интегрирующей емкости. Следует отметить, что, в отличие от прототипа, где в RC-цепях полосового усилителя используются резисторы небольшого номинала (сотни Ом - единицы кОм) и конденсатор большого номинала (десятки нанофарад), в заявляемой схеме в полосовом усилителе используются конденсаторы малого номинала (единицы и доли пикофарад) и имитируемые резисторы больших номиналов (десятки и сотни МОм), что гораздо легче реализовать в микроэлектронном КМОП - исполнении.
Выход полосового усилителя напряжения 6 нагружен на УВХ 7 для адаптации выхода данного канала усиления к работе в многоканальной микросхеме, имеющей коммутацию выходов каналов на один общий выход. УВХ 7 в простейшем варианте может быть реализовано на транзисторном ключе без цепи сброса.
Необходимо отметить, что лаконичность схемных решений и оптимизация рабочих режимов позволила обеспечить очень малый ток потребления схемы.
Были изготовлены и испытаны экспериментальные образцы предлагаемого усилителя в многоканальном твердотельном исполнении. Усилитель выполнялся по полупроводниковой КМОП - технологии.
На изготовленных образцах были получены следующие основные типовые параметры (при нормальных климатических условиях):
- коэффициент передачи заряда
15 В/пКл
- верхняя частота АЧХ
8 кГц
- нижняя частота АЧХ
500 Гц
- потребляемая мощность на 1 канал
170 мкВт
- напряжение питания
5 В
- длительность входных импульсов тока
10-100 нС
- период работы управляемых ключей (период накопления)
15 мкС
- разброс параметров по каналам
не более 10%