Микромощный избирательный усилитель в элементном базисе радиационно-стойкого техпроцесса АБМК_1_3

Аннотация

О.В. Дворников, Н.Н. Прокопенко, П.С. Будяков, В.В. Суворов

Дата поступления статьи: 11.03.2013

Классическое построение активных избирательных усилителей (ИУ) связано, как правило, с необходимостью создания достаточно сложных активных элементов (операционных усилителей), потребляющих относительно большую мощность из за своей универсальности. В данной работе рассматривается активный ИУ на основе аналогового базового матричного кристалла АБМК_1_3, имеющего повышенный уровень радиационной стойкости к потоку нейтронов и накапливаемой дозе радиации. Архитектура ИУ реализована на основе преобразователя напряжение-ток с минимальным числом транзисторов и значением потребляемого ими статического тока. Приводятся основные аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь параметров ИУ и характеристик активных и пассивных компонентов. Получены соотношения, которые позволяют минимизировать чувствительности параметров ИУ к нестабильности свойств активных и пассивных компонентов. Приведены результаты моделирования ИУ в среде PSpice. 

Ключевые слова: избирательный усилитель, полосовой фильтр, активный RC-фильтр, аналоговый базовый матричный кристалл, радиационная стойкость

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Интегральные операционные усилители со специальными элементами RC-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 (Q) резонансной характеристики (Q=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 u_вх в схеме рис. 1б изменяет ток стока (i_c) полевого транзистора VT1. Характер стоковой нагрузки этого транзистора, образованной резисторами R1 и R2, а также конденсаторами C1 и C2 обеспечивает преобразование i_c в выходной сигнал ИУ. При этом наличие емкостного делителя, образованного конденсаторами C1 и C2 формирует функциональную зависимость выходного сигнала, соответствующую частотным характеристикам избирательного усилителя.
Применение полевого транзистора управляющим p-n 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 uвх определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем

,          

                               
где f – частота входного сигнала; f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя; Q – добротность АЧХ избирательного усилителя; K₀ – коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.
Причем:
,                                           
где C₁, C₂, R₁, R₂ – параметры соответствующих элементов схемы С₁, С₂, R₁ и R₂;
Добротность ИУ определяется формулой

,          (1)
где h_11.2 –входное сопротивление транзистора VT2 в схеме с общей базой;  - эквивалентное затухание пассивной частото-зависимой цепи; S₁ – крутизна полевого транзистора VT1.
За счет выбора параметров элементов, входящих в формулу (1), можно обеспечить .
Формула для коэффициента усиления K₀ в комплексном коэффициенте передачи (1) имеет вид
,                                            
где .
Из соотношения (1) следует возможность параметрической оптимизации схемы ИУ при реализации требуемой добротности. Действительно,
,   (2)
где ; .
При этом параметрические чувствительности
,                              
,                          
                                            
могут оптимизироваться по одному из критериев – суммарная чувствительность, среднеквадратическая чувствительность и т.п. Так, при минимизации среднеквадратической чувствительности получаем, что
, ,  (3)
а соотношение между резистивными элементами схемы определяется из условия (2) для практических значений добротности Q.
При условиях С₁=С₂=С и  параметрические чувствительности основных параметров ИУ имеют следующий вид:
,                              
,               ,                    
,             .                      
Это характеризует схему предлагаемого ИУ в классе низкочувствительных звеньев второго порядка. В этом случае .
Схема рис. 2 имеет дополнительное качество при однополярном питании – высокое ослабление выходного сигнала в диапазоне низких частот.

а)

б)
Рис. 2. – Схемы ИУ с высоким затуханием выходного сигнала в диапазоне низких частот

На рис. 3 представлены другие модификации схемы ИУ на p-n-p и n-p-n транзисторах аналогового базового матричного кристалла АБМК_1_3 (НПО «Интеграл», г. Минск)
.

а)                                                     б)
Рис. 3. – Схемы ИУ с однополярным питанием (а) и с минимальным  токопотреблением (б)

На рис. 3б в исток полевого транзистора с управляющим p-n переходом, который используется в качестве входного транзистора VT2, включен дополнительный p-n переход VD1. 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 PSpice.

Рис. 4. – Схема ИУ в элементном базисе техпроцесса АБМК_1_3 в среде компьютерного моделирования PSpice

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 R1=1,7 кОм, C1=10 пФ, R2=3,1 кОм, C2=4 пФ.

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 R1, изменяющегося в диапазоне от 1,4 кОм до 1,7 кОм.

Рис. 6. – ЛАЧХ ИУ при изменении значения сопротивления R1 от 1,4 кОм до 1,7 кОм

Соотношение емкостей в схеме рис. 4 выбрано таким образом, чтобы выполнялся, приведенный в (3) критерий .
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 2009-2013 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 (473)