Дипломная работа на тему "Синтез электронных схем на компонентном уровне и компенсация влияния паразитных емкостей полупроводниковых компонентов"

ГлавнаяКоммуникации и связь → Синтез электронных схем на компонентном уровне и компенсация влияния паразитных емкостей полупроводниковых компонентов




Не нашли то, что вам нужно?
Посмотрите вашу тему в базе готовых дипломных и курсовых работ:

(Результаты откроются в новом окне)

Текст дипломной работы "Синтез электронных схем на компонентном уровне и компенсация влияния паразитных емкостей полупроводниковых компонентов":


Содержание

1. Постановка задачи

2. Структурный принцип собственной компенсации влияния проходных емкостей

3. Практическое применение принципа собственной компенсации

4. Взаимная компенсация емкостей подложки и нагрузки

5. Структурная оптимизация дифференциальных каскадов

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Библиографический список >

1. Постановка задачи

Создание систем на кристалле связано с решением целого комплекса научных и технических задач. Единство аналоговых и цифровых модулей этих систем предопределяет разработку экономичных аналоговых и аналого-цифровых принципиальных схем достаточно сложных функциональных блоков. Без решения этой центральной, по мнению автора, проблемы потребляемая мощность аналоговых интерфейсов систем на кристалле значительно превысит этот показатель для центральных процессорных элементов. Именно поэтому многообразие архитектурных решений может оказаться невостребованным.

В [6] на уровне сложных функциональных блоков предложен эффективный способ собственной компенсации влияния частоты единичного усиления (f1) усилителей на базовые характеристики и параметры различных аналоговых устройств. Этот результат позволяет использовать экономичные операционные усилители (ОУ). Однако, как показано в [5], влияние скорости нарастания выходного напряжения ОУ на динамический диапазон устройств не уменьшается, а теоретическая неосуществимость полной собственной компенсации влияния Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. указывает на необходимость поиска принципов построения экономичных усилителей с расширенным диапазоном рабочих частот и более высокой скоростью нарастания выходного напряжения.

Для повышения интегральных качественных показателей основное усиление реализуется во входных каскадах. Именно поэтому скорость нарастания выходного напряжения любой схемы (Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) определяется следующим соотношением [3]:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (1)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – частота единичного усиления по петле обратной связи аналогового устройства и напряжение ограничения входного каскада.

Заказать написание дипломной - rosdiplomnaya.com

Новый банк готовых оригинальных дипломных проектов предлагает вам написать любые работы по требуемой вам теме. Профессиональное написание дипломных проектов под заказ в Санкт-Петербурге и в других городах РФ.

Для увеличения Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и, следовательно, скорости нарастания без изменения Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. во входных каскадах применяют либо полевые транзисторы, либо используют специальные цепи нелинейной коррекции [8]. Однако предельно допустимое для заданной технологии значение скорости нарастания в любом случае определяется граничной частотой каскада максимального усиления. Сложность структуры усилителей приводит к появлению недоминирующих полюсов, что требует для обеспечения устойчивости работы схем с обратной связью применения дополнительных корректирующих конденсаторов (Скорр), поэтому

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (2)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – потребляемый входным каскадом ток.

Увеличение Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. позволяет уменьшить необходимое значение Скорр и, следовательно, не только повысить скорость нарастания входного напряжения, но и расширить диапазон рабочих частот.

Из теории усилительных каскадов известно, что при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.>>1

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (3)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.– коэффициент усиления i-го каскада.

При использовании полевых транзисторов

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (4)

где S, Cout, Cк – крутизна, выходная и проходная емкости полевого транзистора.

Для биполярных транзисторов

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (5)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – сопротивление эмиттерного перехода; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – сопротивление области базы, статический коэффициент передачи эмиттерного тока и емкость коллекторного перехода; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – граничная частота передачи эмиттерного тока; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – общее сопротивление нагрузки.

На любом этапе развития технологии производства микросхем основным (доминирующим) фактором является влияние Ск. Таким образом, увеличение диапазона рабочих частот усилителей связано с созданием высокочастотных биполярных и(или) полевых транзисторов. В первую очередь для этого и ужесточаются технологические нормы их производства. Однако для обеспечения высококачественных малосигнальных параметров, входящих в соотношения (4) и (5), транзисторы должны в любом случае потреблять относительно большую мощность (Iopt, Uopt).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 1. Зависимость малосигнальных параметров транзисторов от потребляемого тока

Как видно из рис. 1, стремление уменьшить потребляемый в рабочей точке ток приводит к заметному и непропорциональному увеличению Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и, следовательно, к уменьшению f1 и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Несложно показать, что уменьшение потребляемого тока увеличивает также вклад данного транзистора в собственный шум схемы. Аналогичный вывод характерен и для рабочего напряжения транзистора. Таким образом, по аналогии с [6] необходимо вскрыть топологические принципы компенсации влияния емкости коллекторного перехода и(или) проходной емкости полевого транзистора на диапазон рабочих частот усилителей.

2. Структурный принцип собственной компенсации влияния проходных емкостей

Для получения фундаментальных соотношений и качественных выводов в соответствии с методикой [6] рассмотрим основные свойства обобщенной структуры (рис. 2), которая поглощает любые электронные устройства, построенные на полевых и(или) биполярных транзисторах.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 2. Обобщенная структура электронных усилителей

Эта структура характеризуется следующей векторной системой уравнений

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (6)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Смысл векторов Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и матриц Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., их структура поясняется табл. 1.

Таблица 1

Физический смысл КЧС

--------------------------------------------------

Матрица,

вектор

| Размерность |

Физический смысл компонент

(передача КЧС)

|
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

|

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| Передача с выхода i-го каскада (i-й транзистор) к базе (затвору) j-го транзистора |
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

|

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| Передача с выхода i-го каскада (i-й транзистор) к эмиттеру (истоку) j-го транзистора |
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

|

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| Передача от источника сигнала к эмиттеру (истоку) i-го транзистора |
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

|

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| Передача от источника сигнала к базе (затвору) i-го транзистора |
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

|

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| Передача с выхода i-го каскада к нагрузке |
--------------------------------------------------------- --------------------------------------------------

При определении частных передач, указанных в табл. 1, необходимо учитывать входные и выходные сопротивления соответствующих каскадов. Влияние транзисторов описывается диагональными матрицами

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (7)

размерностью Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., компоненты которых являются передаточными функциями каскадов с общим эмиттером или общим истоком Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и каскадов с общей базой (общим коллектором) или общим затвором (общим стоком) Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Учитывая, что

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (8)

из системы (6) получим передаточную функцию электронного устройства

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (9)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Следовательно, коэффициент усиления любого идеализированного электронного устройства K0 определяется из соотношения

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (10)

Указанные в таблице передачи пассивной части системы для неизбирательных усилителей относятся к цепям межкаскадной связи. Эти цепи являются делителями, образованными выходным сопротивлением i-го каскада и входным сопротивлением (i+1)-го каскада. Используя метод пополнения при определении обратной матрицы, получим

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (11)

где Ki – коэффициент передачи устройства на выходе i-го каскада; Hi – коэффициент передачи устройства при подаче сигнала на эмиттер (исток) i-го транзистора.

Эти локальные передачи определяются соотношениями

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (12)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (13)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (14)

Здесь векторы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.i Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. имеют одну единицу на i-й позиции.

Из соотношений (10), (11), (12) следует векторный сигнальный граф (рис. 3), отображающий топологию влияния постоянной времени i-го транзистора (вектор wi отсутствует).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 3. Векторный сигнальный граф электронной системы при влиянии емкостей i-го транзистора

Согласно методике [6] введем вектор

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (15)

действие которого направлено на изменение не только Нi, но и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. После несложных преобразований [6] получим

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (16)

причем

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (17)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (18)

Подстановка (17), (18), (13), (14), (15) в (16) показывает, что применение дополнительной обратной связи, связывающей вход Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. i-го транзистора с дополнительным входом схемы (компонента вектора Wi), приводит к следующему результату:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (19)

Следовательно, постоянная времени (5) или (4), зависящая от технологии изготовления транзисторов и режима их работы, уменьшается на величину Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Именно это и создает возможность выбора экономичного режима работы или применения более мягких технологических норм.

Таким образом, указанная на сигнальном графе дополнительная компенсирующая обратная связь является достаточной для уменьшения влияния емкостей как биполярных, так и полевых транзисторов. Из этого же графа (рис. 3) видно, что вектор Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. является единственным истоком обобщенной структуры, и поэтому такая обратная связь является един-ственной.

3. Практическое применение принципа собственной компенсации

Основной неформализованной задачей построения принципиальных схем различных по своему функциональному назначению усилителей является согласование режимов основного транзистора и компонентов, обеспечивающих реализацию компенсирующей цепи обратной связи. В этом и должен проявляться опыт инженера, минимизирующий число альтернативных вариантов. Продемонстрируем это на конкретном примере.

На рис. 4 показана структура усилительного каскада, соответствующая найденным в работе принципам построения. Из соотношений (12), (13), (14), (17), (18) следует

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (20)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – коэффициент усиления каскада с общей базой.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. Структура усилительного каскада с компенсацией влияния Скб

Следовательно, приращение передаточной функции, вызванное влиянием Ск, будет иметь следующий вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (21)

Таким образом, в приведенной структуре, как это видно из (21) и (5), наблюдается умножение численного значения Ск на множитель (1-Кп) и уменьшение ее влияния на частотный диапазон схемы. При этом чувствительность передаточной функции к емкости коллекторного перехода не изменяется.

Важной составляющей успешного решения задачи является также минимизация входной емкости усилительного каскада, являющегося либо входным, либо промежуточным. Именно поэтому в структуре этого четырехполюсника необходимо обеспечить относительно низкое сопротивление нагрузки в коллекторной цепи или при использовании полевых транзисторов в цепи стока. Пример реализации каскада с компенсацией приведен на рис. 5.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 5. Пример реализации широкополосного усилительного каскада

Анализ схемы приводит к следующему выражению:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (22)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – постоянные времени, определяемые соотношением (5) для первого и второго транзисторов при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Учитывая, что Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., влияние Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. на диапазон рабочих частот оказывается в практических схемах незначительным. В приведенных выражениях полагалось, что при экономичных режимах работы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.>Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Таким образом, при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.<Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. амплитудно-частотная характеристика каскада является гладкой, и перерегулирование переходной характеристики отсутствует (рис. 6).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика каскадов без компенсации влияния Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (1) и с компенсацией (2)

Рассмотрим основные физические процессы в полученной структуре каскада с собственной компенсацией.

Выходной транзистор V1 (рис. 7) выполняет две функции. С одной стороны, он обеспечивает передачу в цепь нагрузки Rн. экв приращений тока Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., пропорциональных входному сигналу (составляющая Suвх.).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 7. Последовательная компенсация Ск1

Здесь и далее S, Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – крутизна и коэффициент передачи по току цепи компенсирующей обратной связи (ЦКОС). С другой стороны, он передает в коллекторную цепь емкостную составляющую Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.тока базы V1, которая выделяется подсхемой ВП1, а затем с усилением Ki.1 поступает в эмиттер и далее в цепь нагрузки V1:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (23)

Для точного измерения тока Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и компенсации Cк1 необходимо:

–  обеспечить высокое сопротивление в эмиттерной цепи V1 с помощью подсхемы ЦКОС;

–  выделить емкостную составляющую тока базы транзистора V1 с помощью ЦКОС. Такой режим обеспечивается близким к нулю входным сопротивлением ЦКОС;

–  передать ток Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. в эмиттерную цепь V1 с коэффициентом передачи тока Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., близким к единице в широком диапазоне частот и без дополнительных фазовых сдвигов.

При выполнении данных условий в нагрузке V1 произойдет почти полная компенсация двух близких по величине, но противоположных по знаку токов Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

К таким трактовкам теоретических результатов привыкли традиционные схемотехники компонентного уровня. Однако более общие принципы формирования понятий о принципах собственной компенсации можно получить, оперируя дополнительным возвратным отношением электронной схемы.

Дополнительный компенсирующий контур обратной связи характеризуется следующим возвратным отношением

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (24)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – входная проводимость компенсирующей цепи обратной связи.

Если в диапазоне высоких (верхних) частот каскада выполняется неравенство Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., как видно из соотношений (3), (5), возвратная разность анализируемой схемы будет иметь следующий вид

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (25)

что и объясняет эффект собственной компенсации. Действительно, без дополнительной обратной связи Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. образуют паразитную цепь комплексной (близкой к реактивной) обратной связи с положительной возвратной разностью (аналог отрицательной обратной связи), которая и уменьшает в диапазоне высоких частот коэффициент усиления каскада. Введение упомянутого контура, глубина которого непосредственно определяется величиной Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. при выполнении указанных ограничений, приводит к появлению дополнительного противоположного по знаку возвратного отношения (аналог положительной обратной связи), что в конечном итоге и уменьшает влияние Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. на постоянную времени каскада и расширяет диапазон его рабочих частот. Такой анализ физических процессов более перспективен, так как показывает возможность любого уровня компенсации за счет специального проектирования цепи обратной связи (реализация численного значения Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.). Последнее утверждение представляется важным по целому ряду чисто практических соображений и, в первую очередь, в плане возможности взаимной компенсации влияния емкости на подложку в сложных электронных схемах. Кроме этого, настоящая физическая трактовка полученного результата важна в плане влияния и, следовательно, выбора режимов работы основного и дополнительного транзисторов. Так, из (25) следует, что уровень компенсации зависит в основном от численного значения объемного сопротивления базы основного транзистора.

4. Взаимная компенсация емкостей подложки и нагрузки

Применение предложенного выше принципа расширения диапазона рабочих частот может оказаться недостаточным для достижения конкретных целей проекта. Влияние емкости между выходной цепью транзистора и подложкой кристалла (Спi) действует эквивалентно емкости нагрузки и, следовательно, может оказаться доминирующим фактором. В этом случае

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (26)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – коэффициент передачи цепи межкаскадной связи между i-м и j-м каскадами; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – эквивалентная постоянная времени цепи нагрузки i-го каскада; Сi – дополнительная емкость нагрузки i-го каскада.

Тогда, согласно (10) и табл. 1, при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.i=0 Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. передаточная функция устройства будет иметь следующий вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (27)

Учитывая, что

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (28)

получим

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (29)

Применив метод пополнения матрицы, когда

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (30)

получим ряд

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (31)

Где

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (32)

является коэффициентом передачи идеализированного усилителя (отсутствуют реактивные составляющие в моделях транзисторов),

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (33)

коэффициент передачи на выходе i-го каскада при выполнении аналогичных условий,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (34)

передаточная функция на выходе схемы при подаче сигнала на конденсатор Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.), входящий в структуру нагрузки i-го каскада.

Векторный сигнальный граф схемы, отображающий эти соотношения, приведен на рис. 8.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 8. Векторный сигнальный граф системы при влиянии Спi и Сi

Как отмечалось выше, условия собственной компенсации, вытекающие из (19), являются достаточными и единственными, поэтому сравнения соотношений (11) и (31), (12)–(14) и (32)–(33) показывают невозможность такой компенсации для емкостей нагрузки и подложки. Физическая сторона такого утверждения связана с электрической недоступностью заземленного узла Спi и Сi.

Действительно, как это видно из схемы (рис. 4), собственная компенсация осуществляется действием контура дополнительной (регенеративной) обратной связи через этот же проходной конденсатор. Отметим, что для указанного принципа компенсации такой вывод справедлив и при более сложной структуре паразитных постоянных времени активных элементов [6].

Невозможность собственной компенсации Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. требует детального исследования взаимной компенсации [6]. Для решения этой задачи введем матрицу Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., показанную на рис. 8 пунктиром. Невозможность собственной компенсации Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. требует детального исследования взаимной компенсации [6]. Для решения этой задачи введем матрицу Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., показанную на рис. 8 пунктиром.

Тогда

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (35)

Из системы (35) следует, что результирующее приращение коэффициента передачи К0 определяется следующим соотношением:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (36)

где

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (37)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (38)

Следовательно, для компенсации влияния Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. необходимо выполнить условие

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (39)

Действительно, в этом случае реализуется параметрическое равенство

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (40)

минимизирующее приращение (36).

Таким образом, для реализации принципа взаимной компенсации влияния эквивалентной емкости нагрузки i-го каскада необходимо выход j-го каскада усилителя подключить к выводу дополнительного (в данном случае компенсирующего) конденсатора Сi так, чтобы выполнить условия (40).

Если в структуре усилителя используется последовательное включение каскадов

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (41)

то это условие можно конкретизировать до численного значения дополнительного конденсатора

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (42)

Настоящее соотношение показывает, что эффективность такого способа решения общей задачи зависит от идентичности процессов в тех компонентах, модели которых и характеризуют эти емкости. В этой связи в качестве Сi целесообразно использовать один из активных компонентов в соответствующем режиме работы.

Рассмотрим применение найденного принципа на примере трехкаскадного усилителя (рис. 9).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 9. Взаимная компенсация влияния Сп и С1 на частотные характеристики усилителя

Здесь при условии К0 ≈ К01 проводимости gвх2 и gвых1 достаточно малы, и влияние СП максимально, что и определяет ее доминирующее значение. В соответствии с (39)–(41) введение С1 при выполнении согласно соотношению (42) следующего условия

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (43)

влияние С1 и СП исключается.

Недостатком взаимной компенсации является относительно высокая чувствительность этого условия к нестабильности Спi и Сi. Так, для указанного на рис. 9 случая относительная чувствительность постоянной времени усилителя и, следовательно, его граничной частоты

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (44)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (45)

непосредственно определяется желаемым (достижимым) уровнем компенсации. Именно поэтому и будет наблюдаться режимная зависимость частоты единичного усиления такого устройства.

В этой связи кардинальным способом решения практических задач является переход на схемотехнику устройств с собственной компенсацией путем изменения геометрии транзисторов и создания под сформулированный здесь принцип «сигнальной» доступности подложки.

В этом случае компенсация влияния соответствующей паразитной емкости совпадает со структурой организации компенсирующего контура влияния Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

На рис. 10 показана топология p-n-p транзистора ФГУП НПП «Пульсар».

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

а) б)

Рис. 10. Топология p-n-p транзистора ФГУП НПП «Пульсар» без компенсации Сп (а) и с компенсацией Сп (б)

Особенность изоляции p-n переходом такого транзистора состоит в том, что вывод от его изолирующего кармана К1 обычно подключается к шине положительного источника питания Еп при металлизации. Однако, если вывод К1 в конкретной схеме соединить с эмиттером p-n-p транзистора (рис. 10б), а эмиттер подключить к Еп через резистор Rэ, сопротивление которого в 5Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.10 раз превышает сопротивление эмиттерного перехода, то в соответствии с (42) эффективное значение емкости на подложку Сп уменьшается:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (46)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – комплексный коэффициент передачи тока эмиттера; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – верхняя граничная частота коэффициента усиления по току эмиттера.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

а)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

б)

Рис. 11. Примеры собственной компенсации емкости на подложку p-n-p транзистора V3

Например, в схеме каскодного усилителя рис. 11а, сформированный таким образом вывод К1 от изолирующего кармана и эмиттера p-n-p транзистора V3 должен (для получения эффекта компенсации Сп3) соединяться с шиной положительного источника питания Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. через резистор Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Это несколько сужает области практического использования такого технического решения, так как высокоомный резистор R1 не всегда удается реализовать. Поэтому в ряде случаев целесообразно введение дополнительного компенсирующего канала на транзисторе V2 (рис. 11б), что позволяет снять ограничение на способ соединения эмиттера входного транзистора V1 с шиной питания Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Так, для схемы рис. 11б в диапазоне частот Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. эффективная емкость на подложку выходного транзистора V3 согласно (42) определится следующим соотношением:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (47)

компенсация дифференциальный каскад кристалл

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – коэффициент передачи тока эмиттера транзисторов V2, V3.

На рис. 12 показан вариант построения компенсирующего канала на транзисторе V2.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 12. Вариант построения компенсирующего канала на транзисторе V2

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

а)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

б)

Рис. 13. Каскадный усилитель без компенсации Сп (а) и с компенсацией Сп (б)

На рис. 13 приведены схемы исследованных в среде PSpice каскодных усилителей со стандартной (рис. 13а) и предлагаемой (рис. 13б) топологией.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 1 ЛАЧХ коэффициента передачи по напряжению каскадных усилителей

Амплитудно-частотные характеристики усилителей рис. 13, представленные на рис. 14, свидетельствуют, что рассмотренный способ уменьшения влияния емкости на подложку расширяет частотный диапазон каскада в 6Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.7 раз.

Структурная идентичность компенсирующих контуров в обратной связи, минимизирующих влияние Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. в усилительных каскадах, показывает, что при определенных топологиях транзистора, имеющего максимальное сопротивление нагрузки и, следовательно, коэффициент усиления оказывается возможной одновременная собственная компенсация влияния указанных емкостей. В некоторых практических задачах именно эти дово-ды могут быть решающими для выбора способов схемотехнической реали-зации. В качестве примера, демонстрирующего такой подход, рассмотрим схему каскада, показанную на рис. 15.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

а)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

б)

Рис. 15. Каскадный усилитель с компенсацией Сп и Скб транзистора V2 (а) и его модель в среде PSpice (б)

Из принципов взаимодействия транзисторов V1 и V2 видно, что каскад с общей базой на V2 обеспечивает компенсацию влияния Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. при условии, что вывод изолирующего кармана Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (рис. 10) соединен с его входом. Однако, как и ранее, численное значение Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. оказывается достаточно большим.

Как показывает компьютерное моделирование (рис. 15б), это позволяет обеспечить еще больший выигрыш по верхней граничной частоте (рис. 16).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 16. ЛАЧХ коэффициента передачи по напряжению каскодных усилителей со стандартной топологией (рис. 13а), топологией с компенсацией только Сп (рис. 13б) и топологией с компенсацией Сп и Скб (рис. 15б)

Недостатком взаимной компенсации является относительно высокая чувствительность этого условия к нестабильности Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Так, для указанного на рис. 9 случая относительная чувствительность постоянной времени усилителя и, следовательно, его граничной частоты определяется соотношениями (42)–(44).

Завершая обсуждение найденных принципов собственной и взаимной компенсации влияния паразитных емкостей полупроводниковых компонентов, целесообразно отметить два обстоятельства, имеющих, возможно, самостоятельное значение в аналоговой микросхемотехнике.

Во-первых, относительно хорошая корреляция полупроводниковых емкостей отдельных областей кристалла, их режимная зависимость позволяют без существенного увеличения погрешности реализации граничной частоты усилителей и запаса устойчивости по фазе широко использовать сочетание собственной и взаимной компенсации. В этом случае создаваемый компенсирующий контур обратной связи с положительным возвратным отношением должен иметь достаточную (>1) глубину для создания условий чередования знаков в поправочных номиналах.

Например, постоянная времени, обусловленная влиянием проходной емкости транзистора с учетом действия контура обратной связи, является отрицательной величиной и частично компенсирует действия положительной постоянной, определяемой емкостью подложки.

Во-вторых, принцип действия компенсирующего контура обратной связи можно использовать и для частотной коррекции характеристик усилителя в целом. Так, в СВЧ ОУ для SiGe технологии доминирующим фактором может оказаться влияние «времени пролета», поэтому даже при минимальной «электрической длине» схемы может быть реализован избыточный запас устойчивости по фазе, который и можно использовать для расширения диапазона рабочих частот. На рис. 17 приведена схема такого ОУ для технологического процесса SGB25VD.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 17. Схема СВЧ ОУ со взаимной компенсацией влияния Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Здесь корректирующий конденсатор Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. образует контур с положительным возвратным отношением и компенсирует влияние емкости нагрузки в усилительном каскаде. Результаты моделирования схем в среде Cadence приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты моделирования схемы СВЧ ОУ

--------------------------------------------------
Условие | Параметр |
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

(ГГц)

|

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

(град)

|

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

(кВ/мкс)

|

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

(кВ/мкс)

|

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

(В)

|
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| 16,2 | 56,3 | 7,23 | 4,54 | 0,8 |
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| 17,6 | 47,7 | 6,87 | 4,51 | 0,8 |
--------------------------------------------------------- --------------------------------------------------

Таким образом, сформулированный принцип компенсации дает позитивные результаты в диапазоне сверхвысоких частот и может использоваться для решения широкого класса практических задач.

Эффективность использования настоящего принципа собственной компенсации в практических разработках зависит от соотношения качественных показателей основных и дополнительных транзисторов. Развитие этого подхода обсуждается в других работах автора и его коллег, однако всегда удается получить расширение диапазона рабочих частот устройства в несколько раз либо существенно уменьшить величину потребляемого тока.

5. Структурная оптимизация дифференциальных каскадов

Для получения фундаментальных соотношений и качественных выводов в этом классе задач рассмотрим основные свойства обобщенной структуры (рис. 2), которая поглощает любые электронные устройства, построенные на полевых и(или) биполярных транзисторах.

В этом случае диагональные матрицы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. состоят из компонентов

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (48)

которые являются коэффициентами усиления i-го каскада по инвертирующему (Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) и неинвертирующему (Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) входам, где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – эквивалентная крутизна усиления i-го активного элемента; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи коллектора или стока i-го транзистора, Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – эквивалентное сопротивление в цепи эмиттера или истока (в режиме эмиттерного или истокового повторителя). Учитывая, что

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (49)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – коэффициент передачи эмиттерного или истокового повторителя. Решение системы (6) позволяет получить передаточную функцию обобщенной структуры

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (50)

При подаче на i-й и j-й входы активных элементов синфазного сигнала (Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) структура векторов, входящих в функции (50), имеет следующий вид

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (51)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (52)

В случае использования дифференциального сигнала на тех же входах (Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) знак j-й компоненты этих векторов изменится на противоположный

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (53)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (54)

Таким образом, решение поставленной задачи сводится к поиску компонентов матриц Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., обеспечивающих минимизацию функций

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (55)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (56)

при выполнении ограничений на дифференциальный коэффициент усиления

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (57)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (58)

С точки зрения развития схемотехники анализируемых узлов решение задачи (55) и (56) в базисе функциональных компонент матриц Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. целесообразно сосредоточить на поиске структурных признаков дифференциальных каскадов, которые в последующем ранжируются по критериям достижимого дифференциального коэффициента усиления и параметрической чувствительности.

Для дифференциальных каскадов приведенные выше соотношения можно конкретизировать при N=2, тогда из (55) для Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. коэффициент передачи для синфазного напряжения на выходе первого канала

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (59)

а для Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. на выходе второго канала

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (60)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (61)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Аналогично из (57) вытекает выражение для дифференциальных коэффициентов усиления

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (62)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (63)

Соотношения (59), (62), а также (60), (63) достаточны для решения задачи минимизации коэффициента передачи синфазного сигнала при физически осуществимых ограничениях на дифференциальный коэффициент усиления как для симметричного, так и для несимметричного выходов.

Рассмотрим вариант построения дифференциального каскада без дополнительных местных обратных связей, когда

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (64)

В этом случае

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (65)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (66)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (67)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (68)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Учитывая полную симметричность выражений (65), (66) и (67), (68), связанную с индексами локальных передач базисных структур и элементов св

Здесь опубликована для ознакомления часть дипломной работы "Синтез электронных схем на компонентном уровне и компенсация влияния паразитных емкостей полупроводниковых компонентов". Эта работа найдена в открытых источниках Интернет. А это значит, что если попытаться её защитить, то она 100% не пройдёт проверку российских ВУЗов на плагиат и её не примет ваш руководитель дипломной работы!
Если у вас нет возможности самостоятельно написать дипломную - закажите её написание опытному автору»


Просмотров: 395

Другие дипломные работы по специальности "Коммуникации и связь":

«Реклама и связи с общественностью», «Маркетинг»

Смотреть работу >>

Ремонт системы управления видеокамер аналогового формата

Смотреть работу >>

Теория электрических цепей

Смотреть работу >>

Роботизированные комплексы (РТК) предназначенные для технологического процесса сборки

Смотреть работу >>

Моделирование и методы измерения параметров радиокомпонентов электронных схем

Смотреть работу >>