БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ
НА БАЗЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ КОМПЛЕМЕНТАРНОЙ БИПОЛЯРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Р.Н. Виноградов, С.В. Корнеев, Д.Л. Ксенофонтов

   Цифровая электроника захватывает все большие сферы обработки аналогового сигнала, что, естественно, приводит к снижению относительной доли аналоговых микросхем в полупроводниковой элементной базе. Тем не менее, прогресс технологии полупроводниковых микросхем приводит к расширению номенклатуры, повышению частотного диапазона и расширению областей применения аналоговых микросхем в тех областях, где широко использовались дискретные полупроводниковые компоненты.

    Преобразование аналогового сигнала в цифровой код определяется точностными и частотными ограничениями аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Если после АЦП обработка сигнала происходит в цифровой форме и построена полностью на монолитных микросхемах, то в предварительной аналоговой обработке до сих пор широко используют дискретные приборы т.к. аналоговая микроэлектроника часто не удовлетворяет предъявляемым требованиям.

    В настоящее время отсутствие отечественных высокочастотных микросхем для аналоговой обработки сигнала, начинает восполняться новыми разработками в области создания быстродействующих аналоговых микросхем серии К1432, проводимыми в ГУП ”НПП ”Пульсар”.

   Разработанная в ГУП ”НПП ”Пульсар” высокочастотная комплементарная биполярная технология, позволяет создавать монолитные микросхемы на р-п-р и п-р-п транзисторах с граничными частотами более 2 ГГц при напряжении коллектор-эмиттер 40 В. [1]. Использование изоляции р-п переходом позволило приступить к разработкам и выпуску нового для России класса аналоговых микросхем при приемлемой для современного отечественного производства себестоимости. Основой серии К1432 являются широкополосные операционные усилители с полосой пропускания выше 20 МГц.

    Быстродействующие операционные усилители (ОУ) находят широкое применение во многих областях телевизионной техники. Это драйверы на входе АЦП, сумматоры токов на выходе ЦАП, прецизионные усилители и сумматоры сигналов, дифференциальные усилители и активные фильтры, и многие другие устройства. Наиболее быстродействующие ОУ строятся по схеме с токовой обратной связью (ОУ ТОС), хотя в последнее время уже появились ОУ с обратной связью по напряжению (ОУ ОСН), практически не уступающие им по быстродействию [2, 3].
    ОУ ТОС имеют ряд преимуществ, которые определяются их структурной схемой (рис.1)

   Неинвертирующий вход схемы, являющийся входом БУ1, - высокоомный, а инвертирующий вход, являющийся выходом БУ1, - низкоомный. Благодаря этому шунтируется паразитная емкость инвертирующего входа. Кроме того, в схеме с отрицательной ОС сигнал обратной связи поступает на эмиттеры транзисторов, а не на базы, как в схеме с ОС по напряжению, благодаря чему задержка отработки сигнала ОС минимальна. Оба эти обстоятельства позволяют минимизировать фазовый сдвиг в петле ОС, что дает возможность получить максимально большую полосу пропускания при сохранении устойчивости схемы. Другой особенностью, отличающей ОУ ТОС от ОУ с ОСН, является слабая зависимость полосы пропускания от коэффициента усиления схемы, что позволяет получать большую полосу пропускания  вплоть до коэффициентов усиления 10 и даже 20.

    По структурной схеме рис.1 выполнены монолитные микросхемы, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

   Вместе с приведенными достоинствами микросхемам ОУ ТОС присущи и недостатки, вытекающие из ее архитектуры. Так как входы схемы несимметричны, то разность входных токов достаточно велика, кроме того, достаточно велик ток покоя инвертирующего входа, являющийся разностью эмиттерных токов транзисторов входного буфера.

    Чтобы добиться компромисса, то есть улучшить статические параметры без существенного ухудшения динамических параметров, схему классического ОУ с дифференциальным входом можно видоизменить так, как это показано на рис.2. для ОУ ОСН.

    Т.е., между инвертирующим входом и выходом БУ1 включен БУ1' и резистор R. Как можно видеть из схемы на рис.2, входы схемы симметричны, и т.к. буферы БУ1 и БУ1' одинаковы, то минимизируется разность входных токов, Uсм и существенно уменьшается входной ток покоя инвертирующего входа.
   По структурной схеме, изображенной на рис.2, построена монолитная микросхема К1432УД2 (таб.2). Там же представлена микросхема К1432УД5Б, построенная по классической схеме с дифференциальным каскадом на входе.

Таблица 2.          .

   В схеме К1432УД2 традиционный дифференциальный каскад заменен симметричными двухтактными эмиттерными повторителями, работающими в классе АВ, что дает большой выигрыш в скорости нарастания и времени установления выходного напряжения по сравнению с ОУ на базе классического дифференциального каскада. Это преимущество объясняется тем, что скорость нарастания в описанных выше схемах не ограничена фиксированным током дифференциального каскада, а пропорциональна величине перепада входного напряжения и ограничивается величиной резисторов Rf и Rg для ОУ ТОС или R для ОУ с ОС по напряжению.

   Когда необходимо особо качественное преобразование и усиление импульсных сигналов, предпочтительнее применять ОУ ТОС, т.к. она обеспечивает лучшее время установления вследствие быстрого затухания переколебаний на вершине импульса. ОУ ТОС также оказывается вне конкуренции по быстродействию при использовании его как сумматор токов на выходе ЦАП и вообще при работе в инверсном включении.

    Если же при достаточно высоком быстродействии необходимо обеспечивать хорошие статические параметры: малое напряжение смещения, малые входные токи, а также минимальную разность входных токов и высокий Кос, сф, что особенно важно для дифференциальных усилителей, то предпочтительно применять ОУ с обратной связью по напряжению.

    В тех случаях, когда требуется еще меньшие напряжения смещения и меньшая разность входных токов предпочтительна схема с классическим дифференциальным каскадом на входе, по которой выполнена микросхема КМ1432УД5. В ней второй каскад выполнен по классической структуре folded-cascode, что позволило сохранить приемлемое быстродействие при условии устойчивой работы с низкими коэффициентами усиления (1 и 2).

    Все микросхемы имеют выходной ток 30 мА, позволяющий работать на 50 и 75-омные кабели при амплитуде сигнала до 3 В.

   В тех случаях, когда требуется ограничение величины выходного сигнала, можно применять микросхему усилителя-ограничителя КМ1432УП2, имеющего полосу пропускания 70 МГц.

   Для решения задач, требующих высоких входных сопротивлений, в частности в фотоприемных устройствах, разработана микросхема быстродействующего широкополосного операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе КМ1432УД3. Благодаря новым схемотехническим и технологическим решениям ОУ КМ1432УД3 имеет существенно большее быстродействие, чем классические ОУ с ПТ. Реализация совмещенной технологии высокочастотных комплементарных биполярных СВЧ транзисторов и полевых транзисторов с управляющим р-п переходом позволяет получить достаточный запас по усилению на высокой частоте, а цепь внутренней коррекции позволяет использовать микросхему вплоть до единичного коэффициента усиления.

   Передача неискаженного гармонического или импульсного сигнала в коаксиальный кабель или емкостную нагрузку также легко решается с применением широкополосных быстродействующих буферных усилителей (БУ) [4].

    Комплементарный буферный усилитель КМ1432УЕ1 имеет малосигнальную полосу пропускания до 700 МГц, а высокая скорость нарастания выходного напряжения до 2500 В/мкс позволяет передавать в кабель неискаженный сигнал с амплитудой до 1 В на частотах до 400 МГц и 5 В до 80 МГц.

    Малые фазовые задержки буферных усилителей дают возможность ставить их на выходе операционных усилителей типа 544УД2, 574УД1, 154УД4, позволяя полностью реализовать их параметры при работе на кабель.

   Малые времена установления (20 нс при точности 0.1%) позволяют использовать БУ также в качестве драйверов быстродействующих АЦП.

    Для работы на более низкоомные нагрузки в разветвителях кабелей, при работе на большие емкости с высоким быстродействием предназначена микросхема буферного усилителя КМ1432УЕ3 с полосой пропускания 250 МГц, скоростью нарастания 3500 В/мкс, обеспечивающая на выходе постоянный ток 250 мА и импульсный ток до 500 мА.

    Аналоговые мультиплексоры с одновременной выборкой сигнала в много-канальных системах сбора данных можно создавать на микросхемах устройства выборки и хранения (УВХ) серии 1103. Они разработаны на базе описанной высокочастотной комплементарной биполярной технологии, включающей в себя создание полевых транзисторов с управляющим р-п переходом и диодов Шоттки,и обеспечивают время выборки вплоть до 30 нс. Переключение широкополосного аналогового сигнала можно выполнять на аналоговым ключе КМ1432КН1, включающем в себя буферный усилитель с полосой пропускания выше 140 МГц, который позволяют коммутировать 50 Ом кабели. Для этих же целей можно использовать микросхему ОУ КМ1432УД4 с полосой пропускания 150 МГц, обладающий функцией отключения выхода (disable).

   Для систем, питающихся от батарейного питания, разрабатываются ОУ, рабо-тающие от однополярного питания вплоть до 3 В и обеспечивающие полосу пропускания 50 МГц. Для более полного использования напряжения питания в этих ОУ используется специальная схемотехника rail-to-rail, обеспечивающая максимальный размах входных и выходных сигналов близкий к напряжению питания.

   Предлагаемый набор отечественных микросхем закрывает большинство потребностей сегодняшней отечественной радиоэлектронной аппаратуры, показывает возможности отечественной аналоговой микроэлектроники и позволяет приступить к созданию большого класса аппаратуры в области телевидения, связи, радиолокации и измерительной техники на новом уровне.

ЛИТЕРАТУРА:
1.Р.Н.Виноградов. Комплементарность биполярных транзисторов - преимущество полупроводниковой электроники. // “Электронная промышленность”, 1997 , N4.

2.Р.Н.Виноградов, Д.Л. Ксенофонтов. Быстродействующие операционные усилители с обратной связью по току и напряжению.// Chip News, 1996,N 8-9.

3. Р.Н. Виноградов, Д.Л. Ксенофонтов, С.В. Корнеев. Быстродействующие аналоговые микросхемы. // “Электронная промышленность”, 1997 , N4.

4 Р.Н. Виноградов, В.А. Елпидинский, С.А. Жуков, Д.Л. Ксенофонтов, "Широкополосный быстродействующий буферный усилитель", Проблемы и перспективы развития современной ТВ техники, Москва, АО "МНИТИ",1995 г.

5.Р.Н.Виноградов, А.В. Елецкий, В.А. Елпидинский, С.А. Жуков, Д.Л. Ксенофонтов, “Интерфейсные монолитные интегральные схемы для аналого-цифрового преобразования”, Проблемы и перспективы развития современной ТВ техники, Москва, АО "МНИТИ",1995 г.