Приведенный выше принцип построения дифференциальных каскадов и усилителей увеличивает коэффициент ослабления синфазного сигнала при неизменном дифференциальном коэффициенте усиления. Для подтверждения данного теоретического положения выполнено моделирование различных схем в среде PSpice. Для наглядности можно продемонстрировать также инженерный алгоритм построения таких дифференциальных каскадов, который следует из приведенных выше результатов.

Рассмотрим простейший дифференциальный каскад, приведенный на рис. 23. Его параметры приведены в табл. 3.

Рис. 23. Структура обычного дифференциального каскада в среде PSpice

Таблица 3

При моделировании схемы использовались компоненты радиационностойкого аналогового базового матричного кристалла (АБМК) [3]. Относительно небольшой коэффициент ослабления синфазного напряжения (62 дБ), как это отмечалось ранее, объясняется влиянием сопротивления участка цепи коллектор-эмиттер транзистора, на базе которого реализован источник тока. В соответствии со структурной схемой рис. 22 для увеличения коэффициента ослабления синфазного сигнала в схему необходимо ввести две компенсирующие обратные связи, действие которых должно также обеспечить неизменным дифференциальный коэффициент передачи каскада. Именно такая схема приведена на рис. 2 При ее моделировании использовались транзисторы указанного выше АБМК и сохранены режимы их работы.

Рис. 2 Дифференциальный каскад с дополнительными обратными связями

Как видно из табл. 3, несмотря на ожидаемый результат ослабление синфазного напряжения не наблюдается. Однако это имеет достаточно простое объяснение: использованные в схеме дополнительные p-n-p транзисторы характеризуются значительно более низким сопротивлением коллекторного перехода. Именно поэтому, как следует из соотношения (74), и увеличивается коэффициент передачи синфазного напряжения. Необходимо также отметить значительное увеличение диапазона рабочих частот для этого сигнала, которое также объясняется действием введенных контуров. Действительно, даже не привлекая дополнительных исследований, из соотношений (77), (78), (96), (97) следует, что эффективность действия контуров возрастает при уменьшении начального значения коэффициента ослабления синфазного напряжения.

Необходимо отметить отсутствие перерегулирования в предложенной схеме, которое характерно для простейшего дифференциального каскада. Заметное уменьшение диапазона рабочих частот для дифференциального напряжения объясняется значительным увеличением емкости нагрузки каскада не только за счет влияния паразитных емкостей транзисторов p-n-p типа, но и за счет увеличения соответствующей емкости на подложку.

Таким образом, в рамках указанных компонентов повышение эффективности действия контуров обратных связей возможно только при условии разделения узла ввода сигнала обратной связи и эмиттерных цепей основных транзисторов. Решение данной задачи возможно в рамках схемы, показанной на рис. 25. Наличие такого преобразования обеспечивает увеличение коэффициента ослабления синфазного сигнала практически на три порядка.

Рис. 25. Структура дифференциального каскада с максимальным коэффициентом ослабления синфазного сигнала

Как видно из соотношений (96) и (97), идентичность основных транзисторов должна обеспечивать нулевое значение . Однако в реальных схемах эта величина ограничивается влиянием сопротивления коллекторного перехода, образующего цепь прямой передачи входного сигнала из базы в коллектор основных транзисторов.

Полученные выше схемы наглядно демонстрируют место структурного синтеза в аналоговой микросхемотехнике. Любые результаты анализа обобщенной структуры позволяют выявить фундаментальные ограничения в исследуемом классе электронных схем, показать способы решения практических задач и перевести их из области эвристических процедур в область формализованных математических преобразований. Однако для получения на этой основе практических схем по-прежнему необходим детальный анализ возможных схемотехнических конфигураций, вскрытие причин, обусловливающих те или иные результаты, поиск способов преодоления трудностей. Именно эти проблемы и создали «специальный язык» схемотехники, который по своей значимости ничем не уступает языку алгоритмизации проектных процедур. С методической точки зрения композиция этих двух подходов и открывает новые горизонты в микросхемотехнике. Так, решение главной в предметной области задачи и уверенность в ее если не оптимальном, то рациональном решении позволяет перевести эти результаты в область нового практического применения, используя язык схемотехники даже без поиска физического объяснения найденной закономерности. Сказанное можно продемонстрировать на конкретной задаче применения синтезированных дифференциальных каскадов. Первоначально сформулируем практическую задачу.

Создание смешанных систем на кристалле не только аналого-цифро-вого, но и цифроаналогового типов предполагает разработку широкодиапазонных и энергоэкономичных инструментальных усилителей как с фиксированными, так и с управляемыми параметрами. Эти устройства являются основой как для аналоговых портов, так и для целого класса сложно-функциональных блоков. Кроме этого, их схемотехника должна ориентироваться на базовые компоненты и технологические процессы, применяемые при производстве СнК. С этих позиций использование классических инструментальных усилителей, состоящих из трех прецизионных операционных усилителей и семи резисторов, оказывается невозможным по следующим основным причинам. Во-первых, коэффициент ослабления синфазного сигнала будет непосредственно определяться точностью изготовления этих резисторов. Например, для резисторов с классом точности 0,1 %  не превышает 60 дБ, что при полупроводниковой технологии требует специальной дорогостоящей функциональной подстройки. Во-вто-рых, для реализации трех ОУ необходимо относительно большое число транзисторов (75–100), с оптимальным режимом работы соответствующих каскадов. Наконец, и это самое главное, потребляемая от источников питания мощность оказывается соизмеримой с мощностью программируемого ядра СнК.

В [6] отмечалось, что решение таких задач целесообразно ориентировать на мультидифференциальные ОУ (МОУ), в рамках которых используется только один выходной и промежуточные каскады. Однако базовая структура входных цепей МОУ непосредственно определяет достижи- мый  при заданном дифференциальном коэффициенте усиления. Таким образом, для решения различных задач необходимо оценить целесообразность использования данной структуры во входных каскадах этих усилителей.

На рис. 26 приведена структурная схема входного каскада для МОУ с дополнительными компенсирующими синфазный сигнал обратными связями и эмиттерными сопротивлениями для расширения диапазона линейной работы. В табл. 4 приведены результаты ее поэтапного преобразования:

–                   вариант 1: простейший входной каскад без дополнительных обратных связей и эмиттерных сопротивлений;

–                   вариант 2: входной каскад с дополнительными, компенсирующими синфазный сигнал обратными связями, но без эмиттерных сопротивлений;

–                   вариант 3: входной каскад с эмиттерными сопротивлениями для расширения диапазона линейной работы, но без дополнительных обратных связей;

–                   вариант 4: входной каскад, приведенный на рис. 26.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6