Микромощный избирательный усилитель в элементном базисе радиационно-стойкого техпроцесса абмк_1_3

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

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

Из соотношения (1) следует возможность параметрической оптимизации схемы ИУ при реализации требуемой добротности. Действительно,

0-1 =

ш(к2 +1) 1 - Я1Б

к

+

шк

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,

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

Рис. 3. - Схемы ИУ с однополярным питанием (а) и с минимальным

токопотреблением

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

/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