Двухканальная аналоговая ИС с программируемыми параметрами

Введение

Для применения в высококачественных оптикоэлектронных устройствах на комплементарных биполярных транзисторах (БТ) создана конфигурируемая аналоговая микросхема МН2ХА060, которая характеризуется высоким усилением (75 дБ) и полосой пропускания более 19 МГц при 20-кратном усилении.

Из-за существующего технологического разброса параметров БТ входной ток МН2ХА060 превышает 2 мкА даже при наличии схемы компенсации, что недопустимо при работе с высокоимпедансными источниками сигналов. Поэтому дополнительно разработана двухканальная аналоговая микросхема с программируемыми параметрами МН1ХА062, в которой один из каналов с головными полевыми транзисторами с p–n-переходом (ПТП) обеспечивает низкий входной ток. Микросхема МН1ХА062 изготовлена в ОАО «Интеграл» на базовом матричном кристалле АБМК-1.3 [1].

Особенности структурной и электрической схемы

Блок-схема и типовая схема включения МН1ХА062 показаны на рисунке 1.
Рис. 1. Блок-схема микросхемы МН1ХА062 и типовая схема её включения
Особенности схемотехники блоков обусловлены тем, что базовый кристалл АБМК-1.3, на котором реализована микросхема, содержит горизонтальные p–n–p-транзисторы с низким коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером (b), сильно спадающим в области больших токов, и допускает применение ПТП с каналом p-типа (p-ПТП). Канал МН1ХА062Б включает: блок смещения BIAS с двумя идентичными выходами REF1 и REF2, два одинаковых преобразователя входного напряжения в ток V-I и выходной каскад Output Stage.
Рис. 2. Принципиальная схема блока смещения BIAS микросхемы МН1ХА062

Блок смещения (см. рис. 2) состоит из:

каскодных токовых зеркал, в которых вход одного (база Q110 и Q126) соединён с выходом другого (коллектор Q125 и Q111);
цепей запуска Q85, Q86 и R56;
токозадающих цепей Q165, Q168, R59 и Q166, Q169, R60.

Площадь эмиттерного перехода транзистора Q137 в четыре раза больше, чем Q138 (на рисунке 2 для этих транзисторов приведён масштабирующий коэффициент AREA), и в эмиттерную цепь Q137 включён резистор R58, что обеспечивает формирование тока I_PTAT, прямо пропорционального абсолютной температуре (PTAT – Proportional to Absolute Temperature):

где S_E – площадь эмиттерного перехода, φ_T – температурный потенциал, равный примерно 26 мВ при 27°C.

При схемотехническом моделировании, учитывающем реальные значения β, температурные измерения параметров транзисторов и резисторов, а также напряжение Эрли, ток I_PTAT составил 325 мкА при 27°С, а эмиттерный ток транзисторов Q168 и Q169 – I_E168 = I_E169 = 317 мкА.
Рис. 3. Принципиальная схема преобразователя напряжение-ток МН1ХА062Б

Эмиттерный ток токозадающих транзисторов всех блоков (I_E170 на рисунке 3) при соединении их узлов REF с одноимёнными узлами блока BIAS приблизительно равен 317 мкА, но может быть уменьшен при подключении резистора между выводом B1 (B2) и шиной отрицательного напряжения питания V_EE. Следует отметить, что ток I_PTAT и, следовательно, эмиттерные токи токозадающих транзисторов всех блоков малочувствительны к изменению напряжения питания.

В схеме преобразователя входного напряжения в ток (см. рис. 3) использованы известные технические решения [2, 3]. От предыдущих разработок [4] схема отличается, главным образом, модернизированной цепью следящей обратной связи, в которой применён составной транзистор [5].

Вход IN1 соединён с параллельно включёнными эмиттерными повторителями на p–n–p и n–p–n-транзисторах (Q139, Q140). Выходы повторителей (эмиттеры Q139, Q140) соединены с базами транзисторов противоположного типа проводимости (Q128, Q153). Эмиттеры последних соединены с узлом BUF1. Коллектор транзистора Q128 соединён с входом токового зеркала.
Рис. 4. Модифицированные токовые зеркала на p–n–p-транзисторах: а – каскодное; б – каскодное с повышенной точностью коэффициента передачи

Ввиду малой величины b и напряжения Эрли p–n–p-транзисторов в преобразователе V-I:

исключён «съём» сигнала с коллектора p–n–p-транзистора Q153 (см. рис. 3), так как его коллекторный ток существенно отличается от эмиттерного. Для обеспечения втекающего выходного тока в преобразователе V-I выполняется инвертирование токовым зеркалом Q159, Q182, Q183 направления коллекторного тока n–p–n-транзистора Q128;
токовые зеркала на p–n–p-транзисторах выполнены по модифицированным схемам (см. рис. 4), обеспечивающим стабильный коэффициент передачи, не зависящий от b;
введён каскод на составном транзисторе Q129, Q133.

Транзисторы Q127 и Q152 являются элементами следящей обратной связи, поддерживающей нулевое напряжение на коллекторных переходах входных транзисторов Q140 и Q139, что позволяет:

уменьшить входную ёмкость;
устранить зависимость b входных транзисторов от напряжения на коллекторном переходе и, таким образом, увеличить входное сопротивление.

При «плавающем» узле EN1 усилитель находится в «спящем» режиме, а при подаче на узел EN1 нулевого потенциала переходит в рабочий режим.

Выходной каскад обоих каналов (МН1ХА062Б, МН1ХА062П) выполнен по ранее апробированной схеме (см. рис. 5) [1].
Рис. 5. Принципиальная схема выходного каскада Output Stage микросхемы МН1ХА062
Рис. 6. Принципиальная схема блока смещения и преобразователя дифференциального напряжения в ток VD-I микросхемы МН1ХА062П

Необходимость применения в канале микросхемы МН1ХА062П входных p-ПТП привела к значительной переработке структуры и схемы канала, а именно:

отпала потребность в использовании PTAT-источников тока, так как минимальное температурное изменение параметров p-ПТП достигается при оптимальном токе стока, определяемом размерами p-ПТП и технологией его изготовления [6];
существенно упростилась схема блока смещения, а два преобразователя напряжения в ток были заменены одним преобразователем дифференциального напряжения в ток (V_D-I) (см. рис. 6).

При выполнении различных соединений выводов на МН1ХА062Б можно реализовать:

1) повторители напряжения с высокой нагрузочной способностью (на блоках Output Stage);
2) операционный усилитель (ОУ) по схеме включения, показанной на рисунке 1;
3) преобразователь входного дифференциального напряжения в биполярный выходной ток (Operational Transconductance Amplifier, OTA) с коэффициентом преобразования

где I_OUT – выходной ток (через узел OTA2/1 на рисунке 1), V_INP – входное напряжение, R_E – сопротивление резистора на рисунке 1. При малой величине сопротивления R_E коэффициент преобразования такого устройства не зависит от температуры;
4) аналоговый ключ при включении ОУ с резисторами обратной связи в виде повторителя или усилителя напряжения и подаче сигнала включения/выключения на узел EN.

Микросхема МН1ХА062П обеспечивает работу только в режиме ОУ и преобразователя входного дифференциального напряжения в биполярный выходной ток.

Результаты испытаний

Измерения параметров микросхемы выполнялись с помощью комплекта оборудования, включающего: цифровой осциллограф Infiniium HP 54830B, выносной пробник 10073C, генератор сигналов произвольной формы Agilent 33250A, двухканальный источник питания Agilent Е3646, интерфейсный модуль USB – GPIB Agilent 82357B, систему сбора данных Agilent 34970A с набором управляющих модулей и персональный компьютер.

Оборудование было объединено в систему с помощью шины GPIB. Управление осуществлялось посредством разработанного в среде Agilent VEE специализированного программного обеспечения для автоматизированного измерения характеристик ИС.

Амплитудные параметры сигналов определялись с точностью не ниже 0,5 мВ, что обеспечивалось автоматизированной калибровкой тракта вертикального отклонения осциллографа, статистической обработкой и цифровой фильтрацией результатов измерений. Большинство измерений проводилось в автоматическом режиме. Результаты измерений записывались в текстовый файл, дальнейшая обработка которого производилась в среде MS Excel с помощью стандартных средств и специализированных макросов.
Рис. 7. Сигнал на входе и выходе выходного каскада МН1ХА062 при сопротивлении нагрузки RL = 2 кОм и ёмкости нагрузки CL  12 пФ при амплитуде входного импульса: а – VAIN = 100 мВ (горизонтальная развёртка 20 нс/дел, вертикальная развёртка: канал 1 – 50 мВ/дел, канал 2 – 100 мВ/дел); б – VAIN = 3 В (горизонтальная развёртка 20 нс/дел, вертикальная развёртка: канал 1 – 1 В/дел, канал 2 – 2 В/дел)

Результаты измерений основных параметров ИС МН1ХА062 приведены в таблице и на рисунках 7 и 8.

Заключение

Создана конфигурируемая аналоговая ИС МН1ХА062 для оптикоэлектронных устройств, содержащая канал с головными БТ (МН1ХА062Б) и канал с головными p-ПТП (МН1ХА062П). Различное соединение выводов ИС позволяет реализовать на её основе:

повторители напряжения с высокой нагрузочной способностью, ОУ, преобразователь напряжения в ток (на основе МН1ХА062Б, МН1ХА062П);
аналоговый ключ (МН1ХА062Б).

Полоса пропускания по уровню –3 дБ при усилении 20 В/В составляет 3,3 МГц для МН1ХА062Б и 1,4 МГц для МН1ХА062П.

Литература

Прокопенко, Н.Н. и др. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем. Шахты. ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС». 2011.
Moraveji, F. A Wide-Band, Low-Power, High Slew Rate Voltage-Feedback Operational Amplifier. IEEE Journal of Solid-State Circuits. V.SC-31. 1996. №1. Р. 10–16.
Moraveji, F. A Tiny, High-Speed, Wide-Band Voltage-Feedback Amplifier Stable with All Capacitive Load. IEEE Journal of Solid-State Circuits. V.SC-31. 1996. № 10.
Р. 1511–1516.
Дворников, О.В. и др. Конфигурируемые аналоговые блоки. Часть 2. Микросхемы на комплементарных биполярных транзисторах. Проблемы современной аналоговой микросхемотехники. Материалы X Международного научно-практического семинара. Часть 1. Шахты. ИСОиП ФГБОУ ВПО «ДГТУ». 2013. С. 230–237.
Дворников О.В., Прокопенко Н.Н., Бутырлагин Н.В. Составной транзистор. Патент РФ 2 519 563. Опубл. 10.06.2014. Бюл. № 16.
Достал И. Операционные усилители. Мир. 1982.

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!