Метод підвищення швидкодії вихідних каскадів цифрових логічних елементів та диференціальних драйверів високошвидкісних ліній зв'язку з ємнісним навантаженням

Емкостная нагрузка часто вносит проблемы в работу электронной схемы — уменьшается полоса выходного сигнала и скорость его нарастания. Кроме того, в драйверах на основе операционных усилителей с обратной связью возникает отставание фазы выходного сигнала от фазы входного, что может приводить к нестабильности [1, 2].

Неизбежность управления емкостной нагрузкой в некоторых схемах может приводить к перегрузке, перерегулированию и, иногда, возбуждению. Эффекты становятся более ощутимыми при управлении значительной емкостной нагрузкой (жидко-кристаллические индикаторные панели, плохо согласованные коаксиальные кабели и т. д.). Однако эти проблемы могут возникать и в низкочастотных прецизионных схемах. Поэтому при работе на существенную емкостную нагрузку (усилители выборки-хранения, пиковые детекторы, формирователи сигналов для передачи по коаксиальным кабелям) должны использоваться элементы внешней коррекции [3−6].

Дифференциальные структуры имеют ряд преимуществ в сравнении с недифференциальными устройствами обработки сигналов. Применение дифференциального выхода в усилительных каскадах позволяет снизить влияние синфазных помех, уменьшить уровень второй гармоники в спектре выходного сигнала, в два раза увеличить максимальную амплитуду выходного напряжения, снизить эффект «пролезания» цифровых сигналов через подложку в аналого-цифровых микросхемах СВЧ диапазона[7].

1. Постановка задачи

Для расширения диапазона рабочих частот дифференциального драйвера и уменьшения времени переходного процесса предлагается подключить к его выходам (рис. 1) специальные цепи коррекции (ЦК) с некоторыми передаточными функциями S_к (р).

. (1)

. (2).

Элементы схемы рис. 1 R_вых1, R_вых2 моделируют конечные значения выходных сопротивлений, R_н1, R_н2 — сопротивления нагрузки, которые зашунтированы ёмкостями нагрузки C_н1, C_н2.

Рис. 1 Динамическая коррекция дифференциального драйвера с емкостной нагрузкой С_н1=С_н2

Решаемая ниже задача состоит в установлении свойств S_к(р), которые обеспечивают расширение диапазона рабочих частот драйвера и повышение его быстродействия.

1.1 Синтез цепи коррекции

дифференциальный обработка сигнал усилительный.

Синтез цепи коррекции S_к(р) сводится к определению ее структуры и параметров элементов, при которых в идеальном случае обеспечивается частотная независимость коэффициента передачи драйвера, а также важнейшие динамические параметры — заданное значение верхней граничной частоты скорректированного драйвера и время установления переходного процесса при импульсном изменении входного сигнала.

Будем в дальнейшем считать, что емкостная и активная составляющие входного и выходного импедансов ЦК учитываются в схеме рис. 1 в эквивалентной емкости С_н и сопротивлении нагрузки R_н.

В операторной форме выходное напряжение первого выхода драйвера рис. 1 определяется формулой.

(3).

где ;

;

— коэффициент передачи в диапазоне низких частот.

После преобразований формулы (3) можно найти передаточную функцию драйвера в операторной форме.

. (4).

Потребуем, чтобы цепь коррекции была дифференцирующим звеном, т. е.

S_к1(р) = р •S_к1, (5).

где S_к1 — параметр цепи коррекции.

В этом случае уравнение (4) принимает вид:

(6).

где = R₁₂C_н1 — постоянная времени цепи нагрузки драйвера без коррекции.

Потребуем далее, чтобы желаемая передаточная функция скорректированного драйвера рис. 1 имела вид апериодического звена первого порядка с достаточно малой постоянной времени :

. (7).

Выполнение условия (7) при обеспечит расширение диапазона рабочих частот драйвера и гарантирует, в тоже время, его устойчивость как звена первого порядка. Поэтому цепь коррекции S_к(р), обеспечивающая уравнение (7), должна удовлетворять условиям.

. (8).

Из уравнения (8) можно найти.

, (9).

где — желаемая верхняя граничная частота драйвера с коррекцией ().

Если заданы значения, f_в, С_н1, то.

.

где f_в — верхняя граничная частота драйвера до коррекции ().

При этом верхняя граничная частота скорректированного драйвера.

. (10).

Для получения существенного выигрыша по необходимо иметь.

. (11).

Для определения времени установления переходного процесса скорректированного драйвера примем во внимание, что его передаточная функция после введения цепи коррекции имеет вид апериодического звена первого порядка (7), для которого, в соответствии с [8]. Поэтому в рассматриваемой схеме:

. (12).

Таким образом, для заданных значений при известных величинах и цепь коррекции драйвера должна удовлетворять условиям.

. (13).

Последнее уравнение можно представить в виде.

.

где — время установления переходного процесса в драйвере до коррекции.

Если выполняется неравенство или, то требования к цепи коррекции можно представить в виде.

. (14).

Таким образом, практическая реализация цепи коррекции драйвера, обеспечивающей существенное расширение его диапазона рабочих частот и повышение быстродействия, сводится к выполнению идентичных условий (11) и (14).

Для второго выхода драйвера все уравнения (3−14) аналогичны.

2. Цепи взаимной коррекции дифференциальных драйверов на основе инвертирующих усилителей тока

Наличие у драйвера рис. 2. дифференциального выхода позволяет, в отличии от ранее рассмотренной схемы рис. 1, обеспечить взаимную коррекцию переходных процессов с помощью инвертирующих усилителей тока УТ1, УТ2 и корректирующих конденсаторов C_к=C3=С4[9].

Рис. 2 Схема быстродействующего драйвера дифференциальной линии связи с цепью коррекции на основе инвертирующих усилителей тока УТ1, УТ2

В схеме рис. 2 напряжение на конденсаторе С1 передается на выход неинвертирующего повторителя напряжения ПН1, что создает ток через конденсатор С3. В результате на выходе инвертирующего усилителя тока УТ1 формируется корректирующий импульс тока, способствующий более быстрому разряду конденсатора С2. Об этом свидетельствуют графики рис. 4, когда при С_кС3=19,9 пФ время установления переходного процесса уменьшается с 30 нС до 1,3 нС, т. е. более чем в 20 раз.

Аналогично, уменьшение напряжения на конденсаторе С2 передается на выход неинвертирующего повторителя напряжения ПН2, что создает ток через конденсатор С4. В итоге на выходе инвертирующего усилителя тока УТ2 формируется корректирующий импульс тока, ускоряющий процесс заряда конденсатора С1. Это подтверждается графиками рис. 5, когда при С_кС3=19,9 пФ время установления переходного процесса уменьшается с 30 нС до 1,3 нС, т. е. более чем в 20 раз.

На рис. 3 приведена зависимость времени установления выходного напряжения (t_уст) на выходе (Вых.1) драйвера от емкости корректирующих конденсаторов С_к1=С3 и С_к2=С4 (при R_вых1=R_вых2=500 Ом, С1=С2=20пФ).

Рис. 3 Зависимость времени установления выходного напряжения (t_уст) на первом выходе драйвера от емкости конденсаторов С_к1=С_к2

На рис. 4 показана зависимость времени установления выходного напряжения на выходе (Вых.2) драйвера от емкости С_к1=С3 и С_к2=С4 (при R_вых1=R_вых2=500 Ом, С1=С2=20пФ).

Рис. 4 Зависимость времени установления выходного напряжения на втором выходе драйвера от емкостей С_к1 и С_к2

Из графиков рис. 4, рис. 5 следует, что при введении конденсаторов С3 и С4 время установления выходных импульсов драйвера уменьшается. Чем ближе значение С_к=С3=С4 к С_н=С1=С2, тем меньше t_уст.

Нетрудно видеть, что возможности данного метода определяются характеристиками повторителей напряжения (ПН) и тока (УТ), которые могут быть достаточно широкополосными и реализовываться как каскады с общим коллектором и общей базой на основе SiGe технологических процессов[10−11].

Заключение

• 1. Разработан метод повышения быстродействия драйверов различных модификаций, работающих на емкостную нагрузку.
• 2. Полученные в статье соотношения позволяют по известным параметрам драйвера найти параметры цепи коррекции, обеспечивающей устойчивость и желаемое время установления переходного процесса при ступенчатом изменении входного сигнала, а также существенно расширить диапазон его рабочих частот.
• 3. Цепь коррекции может быть реализована на основе классических повторителей напряжения и тока с коэффициентами передачи, близкими к единице. Для этой цели могут использоваться схемы транзисторных каскадов с общим коллектором и общей базой на основе SiGe техпроцессов, инерционностью которых можно пренебречь до частот в несколько десятков-сотен гигагерц. Для многих практических схем драйверов это позволяет обеспечить существенное повышение быстродействия.

• 1. Gordon D. Long; Feedback amplifier circuit; patent US № 3.769.605; Tektronix, Inc. Filing: Feb 18, 1972 Issue: Oct 30, 1973.
• 2. Xiaofei Xiang, Xunqiao Hu, Xicheng Xie; Fully differential non-inverted parallel amplifier for detecting biology electrical signal; patent US № 7.863.977; Edan Instruments Inc. Filing: Sep 14, 2009 Issue: Jan 4, 2011.
• 3. S. Bendaoud, G. Marino Practical Techniques to Avoid Instability Due to Capacitive Loading, Analog Dialogue, 38, 2004.
• 4. Prokopenko N. N., Budyakov A. S. Architecture of high-speed operational amplifiers with nonlinear correction // 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication. Moscow, Russia, June, 2004.
• 5. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех. М.: Додэка-ХХI, 2011. 544 c.
• 6. Шестаков А. Л. Коррекция динамической погрешности измерительного преобразователя линейным фильтром на основе модели датчика // Известия вузов СССР. Приборостроение. 1991. № 4. С. 8−12.
• 7. Будяков П. С. Архитектура СВЧ дифференциалных операционных усилителей с парафазным выходом / Н. Н. Прокопенко, П. С. Будяков, А. И. Серебряков // Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки премпективных микро-наноэлектронных систем (МЭС)»: Сборник трудов. — М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2010. № 1. С. 571−576.
• 8. Гайдук А. Р. Теория автоматического управления: Учебник. М.: Высшая школа, 2010. 415 с.
• 9. Быстродействующий драйвер дифференциальной линии связи: заявка на патент РФ; МПК: H03 °F 3/34, H03 °F 3/45 / Н. Н. Прокопенко, Н. В. Бутырлагин, И. В. Пахомов, А. В. Бугакова. № 2 013 120 169/08; Заявл. 30.04.13.
• 10. Н. Н. Прокопенко, В. В. Суворов, И. В. Пахомов, Быстродействующий аттенюатор для входных цепей аналого-цифровых интерфейсов [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013 г, № 1. Режим доступа: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD₁₁₀_prokopenko.pdf_.
• 1580. pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус.
• 11. Н. Н. Прокопенко, П. С. Будяков, И. В. Пахомов, В. В. Суворов, Метод расширения диапазона рабочих частот истоковых и эмиттерных повторителей напряжения [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013 г, № 1. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/ /archive/n1y2013/1559 (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус.