Истинно дифференциальный операционный усилитель, сделанный из логических инверторов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2013

Colin Weltin-Wu

EDN

Постоянно стремление к сокращению размеров и повышению эффективности процессоров загоняет производителей КМОП все дальше в область нанометров, что негативно сказывается на характеристиках аналоговых схем из-за увеличивающихся утечек и снижающегося напряжения питания, и вынуждает разработчиков для выполнения аналоговых функций искать альтернативные чисто цифровые архитектурные решения [1, 2]. Это «оцифровывание» аналоговой сферы, в конечном счете, доходит до сферы домашней, где радиолюбителям становится все сложнее найти самые простые аналоговые компоненты. Предзнаменованием этой пугающей тенденции была публикация еще в 1973 руководства по применению цифровых микросхем компании Fairchild Semiconductor [3], однако ни в одной из приведенных там схем не было операционного усилителя с дифференциальными входами. Предлагаемая конструкция представляет собой попытку заполнить этот пробел, демонстрируя двухкаскадный операционный усилитель с истинно дифференциальными входами и близким к rail-to-rail размахом выходного напряжения, работающий от однополярного источника питания 5 В.

На Рисунке 1 представлена схема законченного двухкаскадного операционного усилителя на шести инверторах CD4049UBE [4], резисторе и конденсаторе. Обратите внимание на то, что вывод 8 микросхемы U2 (GND), так же, как и вывод 1 (VCC) микросхемы U3, оставлены ни к чему не подключенными. Выходы параллельно включенных инверторов микросхемы U2 подключены к выводу VCC U1, а выход инвертора U3 – к выводу GND микросхемы U1.

Рисунок 1.

Транзисторный функциональный эквивалент этой схемы изображен на Рисунке 2, из которого исключены все несущественные, или не выполняющие основных функций элементы. Схема первого каскада, взятая из [5], выполняет преобразование дифференциального сигнала в несимметричный. P-канальные транзисторы инверторов из микросхемы U2 работают как источники тока, а N-канальный транзистор инвертора из U3 – как токовый сток. Неодинаковое количество источников втекающего и вытекающего тока было выбрано специально, чтобы, компенсировав различия характеристик каналов N- и P-канальных МОП транзисторов, сместить рабочий диапазон синфазных сигналов ближе к середине питания.

Рисунок 2.

Инверторы микросхемы U1 в этой семе работают как дифференциальная пара с удвоением передаточной проводимости. Из-за небольшого усиления первого каскада, равного 25…30 дБ, был добавлен второй каскад. Для обеспечения общей устойчивости использовались стандартные технологии компенсации, поскольку оба каскада имеют примерно одинаковые полосы пропускания. Заметим, что любая разумная конфигурация цепи обратной связи смещает рабочую точку второго каскада в линейную область, что позволяет отказаться от локального шунтирующего резистора, снижающего коэффициент усиления.

Рисунок 3.	Измеренная частотная зависимость коэффициента передачи усилителя с разомкнутой обратной связью.

В Таблице 1 собраны основные характеристики изготовленного прототипа. Несмотря на дифференциальные входы, коэффициент ослабления синфазного сигнала, как мы видим, очень плох. Но, с другой стороны, по ширине полосы пропускания наш усилитель превосходит классический LM741.

Рисунок 4.	Отклик на большой скачок входного напряжения для усилителя, включенного повторителем напряжения, имеет небольшой выброс, обусловленный плохой компенсацией нуля передаточной характеристики.

Рисунок 5.	Почти истинный rail-to-rail усилитель, с однополярным питанием 5 В. (Усилитель включен в неинвертирующей конфигурации с коэффициентом усиления 11).

Конструкция должна работать одинаково хорошо как с микросхемами CD4069UB, так и с 74HCU04, хотя возможно, что из-за различий в параметрах транзисторов соотношение необходимого количества инверторов в U2 и U3 придется изменить, чтобы восстановить диапазон синфазных входных напряжений. Единственное принципиальное требование заключается в том, что инверторы должны быть небуферизованными, так как в противном случае каждый каскад усиления превратится в трехкаскадный кольцевой генератор.

Рисунок 6.	Прототип, собранный на макетной плате.

Ссылки

1. Taylor, G., and I. Galton, «A reconfigurable mostly-digital ADC with a worst-case FOM of 160 dB», Symp. VLSI Circuits Dig. 2012.
2. Murmann, Boris, and Bernhard E. Boser, «A 12-bit 75-MS/s pipelined ADC using open-loop residue amplification», Solid-State Circuits, IEEE Journal of 38.12 (2003): 2040-2050.
3. Fairchild Semiconductor, Appl. Note 88, «CMOS Linear Applications», Jul. 1973 [revised Apr. 2003].
4. Texas Instruments, «CMOS Hex Buffer/Converter, CD4049UB/CD4050B datasheet», Aug. 1998 [revised May 2004].
5. Bazes, Mel, «Two novel fully complementary self-biased CMOS differential amplifiers» Solid-State Circuits, IEEE Journal of 26.2 (1991): 165-168.