СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ КЛАССИЧЕСКИХ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ BJT, JFET И CMOS ТЕХНОЛОГИЙ
Аннотация
Существенный недостаток классических выходных каскадов микроэлектронных операционных усилителей, которые сегодня реализуются на основе BJT (биполярных транзисторов), CMOS (комплементарных металл-оксид-полупроводниковых транзисторов) или JFET (полевых транзисторов с управляющим p-n переходом), в том числе при их совместном использовании, состоит в том, что они характеризуются сравнительно малой скоростью нарастания выходного напряжения при воздействии импульсных входных сигналов большой амплитуды. Этот нежелательный эффект главным образом обусловлен наличием паразитных емкостей, применяемых в схеме источников опорного тока, и их выходных транзисторов. В статье рассматривается оригинальный и эффективный схемотехнический прием, обеспечивающий форсирование процесса перезаряда паразитных емкостей, который используется в выходных каскадах, реализуемых в многочисленных патентах ведущих микроэлектронных фирм мира. Введение в исходные схемы специальной дифференцирующей цепи коррекции переходного процесса, а также различные варианты ее практической реализации рассматриваются впервые. Схемотехника таких выходных каскадов защищена патентом Российской Федерации. Разработаны и исследованы четыре различные модификации буферных усилителей, которые ориентированы на применение в современных технологических процессах, которые реализованы на кремниевых BJT или CMOS транзисторах, а также на арсенид-галлиевых n-JFET и p-n-p биполярных транзисторах. Приводятся примеры компьютерного моделирования статических режимов, а также переходных процессов, которые наглядно демонстрируют значительное повышение максимальной скорости нарастания выходного напряжения (более чем на один-три порядка). Предлагаемые перспективные схемотехнические решения для GaAs транзисторов рекомендуются для практического применения в микроэлектронных устройствах, предназначенных для работы в условиях повышенных температур
Список литературы
1. Dvornikov O.V., Pavlyuchik A.A., Prokopenko N.N., Chekhovskiy V.A. i dr. Unifitsirovannye skhemotekhnicheskie resheniya analogovykh arsenid-gallievykh mikroskhem [Unified circuit design solutions for analog gallium arsenide microchips], Izvestiya vuzov. Elektronika [Izvestiya Vuzov. Electronics], 2022, Vol. 27, No. 4, pp. 475-488. DOI: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-4-475-488.
2. Chumakov V., Pakhomov I., Klejmenkin D.V., Kunts A. Gallium arsenide buffer amplifier: preprint, 2021. Available at: https://doi.org/10.36227/techrxiv.17194979.v1.
3. Zhuk A.A., Pavlyuchik A.A., Prokopenko N.N., Pakhomov I.V. Arsenid-gallievyy vykhodnoy kaskad usilitelya moshchnosti, № RU 2767976 v 2022 [Gallium Arsenide Output Stage of a Power Amplifier, No. RU 2767976 in 2022].
4. Chumakov V.E., Prokopenko N.N., Titov A.E., Kunts A.V. Arsenid-gallievyy bufernyy usilitel', № RU 2766868 v 2022 [Gallium Arsenide Buffer Amplifier, No. RU 2766868 in 2022].
5. Prokopenko N.N., Zhuk A.A., Bugakova A.V. Arsenid-gallievyy bufernyy usilitel', № RU 2784046 v 2022 [Gallium Arsenide Buffer Amplifier, No. RU 2784046 in 2022].
6. Prokopenko N.N., Zhuk A.A., Sergeenko M.A. Bipolyarno-polevoy arsenid-gallievyy bufernyy usilitel', № RU 2796638 v 2023 [Bipolar-field arsenide-gallium buffer amplifier, No. RU 2796638 in 2023].
7. Zampardi P.J., Sun M., Cismaru C., Li J. Prospects for a BiCFET III-V HBT Process, Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), 2012, pp. 1-3.
8. Sun, M., Li, J., Zampardi, P.J., Ramanathan, R., Metzger, A.G., Cismaru, C., Ho, V., Rushing, L., Ste-vens, K.S., Chaplin, M., & Welser, R.E. A High Yield Manufacturable BiFET Epitaxial Profile and Pro-cess for High Volume Production, CS MANTECH Conference, Vancouver, British Columbia, Canada, 2006, pp. 149-152.
9. Cheng S.C., Chung J.T., Tsai S.H., Huang F.H., Lin C.K., Williams D., and Wang Y.C. Advanced Bi-HEMT Technology with 0.25μm Enhancement Mode pHEMT for 5G Sub-6GHz Power Amplifier Ap-plications, IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2021, Vol. 9, pp. 734-740. DOI: 10.1109/JEDS.2021.3097193.
10. Dvornikov O.V., Pavlyuchik A.A., Prokopenko N.N., Chekhovskiy V.A., Kunts A.V., Chumakov V.E. Ar-senid-gallievyy analogovyy bazovyy kristall [Arsenide-gallium analog base crystal], Problemy razrabot-ki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem – 2021: Sb. trudov [Problems of Development of Advanced Micro- and Nano-Electronic Systems - 2021. Collection of Papers], under the general editor-ship of Academician of the Russian Academy of Sciences A.L. Stempkovskogo. Moscow: IPPM RAN, 2021, pp. 47-54.
11. Nobuyuki O. Driving circuit, No. JP 2000165158 in 2000.
12. Prokopenko N.N., Nikulichev N.N. Operatsionnyy usilitel', № RU 2234797 v 2004 [Operational amplifi-er, № RU 2234797 in 2004].
13. Monticelli D.M. Capacitive feedback to boost amplifier slew rate, No. US 4701720A in 1987.
14. Feliz G. F., Dobkin R. C. Operational amplifier having improved slew rate, No. US 5128631 in 1992.
15. Murray K. W., Halbert J. M. Method for bias rail buffering, No. US 6429744 B2 in 2002.
16. Atsushi Y., Naoto Y. Operational amplifier, No. US 6268769 B1 in 2001.
17. Smith D., Koen M. and Witulski A.F. Evolution of high-speed operational amplifier architectures, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Oct. 1994, Vol. 29, No. 10, pp. 1166-1179. DOI: 10.1109/4.315199.
18. Escobar-Bowser P. Operational amplifier output stage, No. US 6466062 B2 in 2002.
19. Smith D. L., Zakowicz R. J. Linear and multi-sin h transconductance circuits, No. US 6489848 in 2002.
20. Lu L.-J., Chu P -H., Huang W.-C. and Liao Y.-T. A CMOS Buffer Amplifier with Slew-Rate En-hancement and Power Saving Techniques, 2023 International VLSI Symposium on Technology, Systems and Applications (VLSI-TSA/VLSI-DAT), HsinChu, Taiwan, 2023. – P. 1-2. – DOI: 10.1109/VLSI-TSA/VLSI-DAT57221.2023.10134266.
21. Oh Y. -J. et al. A High Slew-rate Wide-range Capacitive Load Driving Buffer Amplifier with Correlated Dual Positive Feedback Loops, 2022 19th International SoC Design Conference (ISOCC), Gangneung-si, Republic of Korea, 2022, pp. 231-232. DOI: 10.1109/ISOCC56007.2022.10031525.
22. Khorovits P., Khill U. Iskusstvo skhemotekhniki [The art of electronics]: transl. from engl. 2nd ed. Moscow: Izd-vo BINOM, 2014, 704 p.
23. Prokopenko N.N., Budyakov A.S., Kryukov S.V. Vykhodnoy kaskad operatsionnogo usilitelya, № RU 2311729 v 2007 [Output stage of an operational amplifier, № RU 2311729 in 2007].
24. Prokopenko N.N., Budyakov A.S., Sergeenko A.I. Vykhodnoy kaskad bystrodeystvuyushchego oper-atsionnogo usilitelya, № RU 2309528 v 2007 [Output stage of a fast-acting operational amplifier, No. RU 2309528 in 2007].
25. Toumazou C. Low input resistance current-mode feedback operational amplifier input stage, No. US 5351012 in 1994.
26. Barile G., Centurelli F., Ferri G., at al. A New Fully Closed-Loop, High-Precision, Class-AB CCII for Differential Capacitive Sensor Interfaces, Electronics, 2022, 11, No. 6, pp. 1-16. DOI: 10.3390/electronics11060903.
27. Bee E.C. Class AB complementary output stage, No. US 5475343 in 1995.
28. Knausz I. System and method for providing slew rate enhancement for two stage CMOS amplifiers, No. US 7362173B1 in 2008.
29. Senderowicz D., Nicollini G. CMOS output stage with large voltage swing and with stabilization of the quiescent current, No. US US4730168A in 1988.
30. Huijsing J.H., Hogervorst R. and J. de Langen K. Low-power low-voltage VLSI operational amplifier cells, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 1995, Vol. 42, No. 11, pp. 841-852. DOI: 10.1109/81.477183.
31. Wei X., Jueping C. & Jinzhi L. A high-speed operational amplifier with gain boosting and slew rate en-hancement circuits, IEICE Electronics Express, 2025, Vol. 22, No. 9, pp. 1-6. DOI: 22. 10.1587/elex.22.20250107.
