СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2015

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2015 Создание низкотемпературных аналоговых ИС для обработки импульсных сигналов датчиков Часть 3 Рассмотрены малошумящие усилители и аналоговые каскады общего применения, оптимизированные для криогенных температур. Приведены схемотехнические решения, рекомендации по выбору размеров полевых транзисторов, режимов работы и сопротивлений, определяющих коэффициенты передачи. Олег Дворников, Владимир Чеховский, Валентин Дятлов (г. Минск, Беларусь), Николай Прокопенко (г. Шахты, Ростовская обл.) М АЛОШУМЯЩИЕ УСИЛИТЕЛИ ДЛЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР Необходимость размещения всех элементов, а не только «головного» транзистора, при низкой температуре значительно усложняет схемотехни- ческий синтез малошумящего усили- теля и требует дополнительного анали- за его работы для правильного выбора структуры усилителя, типа применяе- мых активных и пассивных элементов. Как отмечалось ранее, зарядочув- ствительные (ЗЧУ) и трансимпеданс- ные (ТИУ) усилители могут иметь пол- ностью идентичные электрические схемы и отличаться только соотноше- нием активной и реактивной состав- ляющих комплексной проводимости цепи обратной связи (ОС). Так, на рисунках 1 и 2 приведены упрощённые схемы усилителей, кото- рые могут быть применены как для реа- лизации ЗЧУ, так и ТИУ [1], хотя схема (см. рис. 1) преимущественно применя- ется в ЗЧУ, а схема (см. рис. 2) – в ТИУ. Схема рис.1 предназначена для обе- спечения высокого усиления при разомкнутой цепи ОС. Выходной ток каскода J 1 , J 2 (V G2 – постоянный потен- циал) поступает в исток n-МОП- тран- зистора M (V M – постоянный потенци- ал), сток которого соединён с нагруз- кой в виде источника тока I 1 и является высокоимпедансным узлом A. Рассма- триваемая схема содержит два каско- да – обычный на J 1 , J 2 и «перегнутый» на J 2 , M. При замкнутой цепи ОС ток сто- ка транзистора M будет равен I 1 , а ток стока J 1 составит I 0 – I 1 , при этом из-за предельно малого тока затвора J 1 вход- ное (V INP ) и выходное (V OUT ) напряжение усилителя по постоянному току будет одинаково: (1) где V GS , V TH – напряжение затвор– исток и отсечки полевого транзисто- ра с p-n-переходом (ПТП); I D – ток сто- ка; BETA – коэффициент пропорцио- нальности (удельная крутизна). При использовании усилителя по схе- ме на рисунке 1 в виде ТИУ, т.е. при C F ≈ 0, необходимо учитывать, что при разом- кнутой цепи ОС передаточная функ- ция (ПФ) усилителя будет содержать два полюса: доминирующий полюс усили- теля, определяемый ёмкостьюC L и сум- марным сопротивлением всех парал- лельных цепей в высокоимпедансном узле А, и полюс на входе INP с посто- янной времени, равной R F (C D +C INP ) [1], где C INP – входная ёмкость усилителя с разомкнутой ОС. Частоты этих полю- сов могут быть близкими, что вызовет колебания на импульснойхарактеристи- ке при замкнутойцепиОС. Для устране- ния колебаний в схему ТИУ параллель- но R F вводят небольшой конденсаторC F . К сожалению, выборноминала C F затруд- нён тем, что выходное сопротивление транзистора M и транзистора, на кото- ром сформированисточник тока I 1 , зави- сят от тока I 1 и параметра λ и поэтому имеют технологический разброс. Трансимпедансный усилитель пред- почтительнее реализовать по схеме (см. рис. 2), где R L – резистивная нагруз- ка несколько килоом. Если номина- лы RC-элементов выбрать таким обра- зом, чтобы они удовлетворяли усло- вию R F C F = R L C L , где C L – суммарная ёмкость, шунтирующая R L по перемен- ному току, то ПФ ТИУ будет иметь один полюс с постоянной времениR F (C D + C F + + C INP ) [1]. Заметим, что усиление схемы на постоянном токе приразомкнутойОС составит g M1 × R L , где g M1 – крутизнаПТП J 1 . Наиболее сложным при проектиро- вании усилителей по схемам (см. рис. 1 и 2) является выбор ширины (W) и дли- ны (L) затвора и режимов работы тран- зисторов каскода J 1 , J 2 , для упрощения которого рекомендуется следующая последовательность работ. 1. Определить ток стока I D1 и отноше- ние W/L «головного» транзистора J 1 для получения требуемого уров- ня шума и рассеиваемой мощно- сти. Если усилитель предназначен для работы в диапазоне темпера- тур, и приоритетом является ста- бильность параметров, то ток стока должен соответствовать оптималь- ному значению I DOPT , при котором Рис. 1. Упрощённая схема ЗЧУ Рис. 2. Упрощённая схема ТИУ © СТА-ПРЕСС