Высокочастотные полосовые RC фильтры на повторителях тока
Аннотация
В работе представлена обобщенная структура звена полосового фильтра, используемого при построении широкополосных активных RC фильтров. Выявлены условия, определяющие потенциальную широкополосность звена и стабильность его параметров. Предложен вариант схемотехнической реализации, в котором низкая параметрическая чувствительность добротности к пассивным элементам схемы достигается на основе принципа собственной компенсации влияния малосигнальных параметров биполярных транзисторов на параметры усилительных каскадов. Результаты компьютерного моделирования подтвердили, что принцип собственной компенсации влияния неидеальности полупроводниковых компонентов позволяет существенно уменьшить параметрическую чувствительность звеньев второго порядка полосовых фильтров на базе существующих неприцизионных технологий.
Ключевые слова: система на кристалле, полосовой фильтр, добротность, усилитель тока, чувствительность, биполярный транзистор
05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
Введение
Расширение диапазона рабочих частот активных RC фильтров, как правило, связано с использованием усилителей тока [1]. Возникающий при этом «разностный» принцип реализации их добротности Q приводит к существенному (пропорциональному Q) увеличению параметрической чувствительности Q к нестабильности параметров частотозависимой цепи [2].
В указанных устройствах с целью уменьшения требований к широкополосности активных элементов (частоты единичного усиления (f1)) используется принцип каскадирования звеньев второго порядка с относительно высокой чувствительностью амплитудно (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик в полосе пропускания. В этой связи для уменьшения влияния основных параметров усилителей тока на частоту полюса (fp) каждого звена оказывается необходимым в контуре их обратной связи использовать симметричную частотозависимую цепь полосно-пропускающего типа [1]. Таким образом, повышение стабильности (уменьшение параметрической чувствительности) при сохранении разностного принципа реализации добротности полюса является важной составной частью общей задачи улучшения качественных показателей каскадных RC фильтров на усилителях тока.
1 Постановка задачи
Предварительно отметим, что принцип разделения частотозависимых цепей дополнительными активными элементами [3] увеличивает «электрическую длину» схемы и уменьшает достигаемый диапазон рабочих частот и поэтому в работе не используется. Тогда, достаточно в общем случае структура звена второго порядка будет иметь вид, показанный на рис. 1.
Рис. 1 Обобщенная структура звена полосового фильтра
В этом случае параметры полюса звена определяются следующими соотношениями
, (1)
, (2)
где Ki, rвх – коэффициент передачи и входное сопротивление усилителя тока.
Затухания (D0) и полюса (Dp) пассивной цепи не только определяют реализуемую добротность, но и степень влияния частоты единичного усиления (f1) усилителя тока на указанные параметры полюса. Их относительные изменения (
, 
), вызванные конечностью этого параметра, и параметрическими чувствительностями следуют из соотношений
, (3)
. (4)
Таким образом, затухание полюса этой цепи непосредственно определяет потенциальную широкополосность звена и стабильность его параметров. Для рассматриваемой RC-цепи
, 
, (5)
где 
, 
.
Из соотношения (2) следует, что при Ki=1 добротность
, (6)
а ее параметрическая чувствительность минимизируется при k=1. Действительно,
, 
. (7)
Кроме этого, при Ki=1 можно максимизировать частоту f1, приблизив ее значение к fт транзисторов реального техпроцесса [4]. Реализация сформулированных требований и является основной задачей настоящей работы.
Предварительно отметим, что использование полевых транзисторов, у которых условие Ki=1 реализуется автоматически, не обеспечивает решение задачи в силу как недостаточной их крутизны S (
), так и относительно низкого значения fт.
2 Основные свойства звена на базе повторителя тока
Если предположить, что Ki=1, то, как было показано выше в (7), чувствительность добротности Q к пассивным элементам схемы минимизируется, при этом соотношение между сопротивлениями резисторов 
. Именно поэтому затухание полюса пассивной RC цепи увеличивается (
) и увеличивает степень влияния повторителя тока на реализуемые параметры
, (8)
. (9)
Параметрическая или технологическая неточность выполнения этого условия ограничивает реализуемую схемой добротность. Действительно, как это следует из (2) и (5), при
, 
. (10)
Так, при использовании в качестве повторителя тока высокочастотного биполярного транзистора (
) добротность 
даже при условии увеличения чувствительности (7). Из (2) следует, что
. (11)
Таким образом, для реализации низкой параметрической чувствительности добротности к пассивным элементам схемы необходимо выполнить параметрическое условие
,(12)
которое является основным для построения усилителя тока УТ1.
Настоящая задача решается схемотехническим принципом собственной компенсации влияния малосигнальных параметров биполярных транзисторов на параметры усилительных каскадов [4,5,7]. Действительно, рекомбинационная составляющая тока базы является доминирующим фактором, ограничивающим коэффициент передачи по току. Кроме этого, такая обратная связь уменьшает влияние проходной емкости транзистора на частоту единичного усиления f1 и, следовательно, в соответствии с (8) уменьшает параметрическую чувствительность звена. Важным является условие достаточности и единственности таких цепей компенсации [4].
Принципиальная схема звена полосового фильтра, точно соответствующая этому принципу собственной компенсации, приведена на рис. 2. Анализ повторителя тока УТ1 при условии, что h12.1=0 показывает, что его коэффициент передачи
, (13)
где 
, 
, h12.1 - малосигнальные параметры транзисторов VT1 и VT2.
В случае использования СВЧ транзисторов с гетеропереходом (1-a1) достаточно мало, поэтому
. (14)
Так, при типовых значениях 
, 
и потребляемом токе 1 мА 
. Поэтому условие (12) выполняется при 
.
Рис. 2 Упрощенная принципиальная схема RC-звена с повторителем тока
В [4-7] отмечается, что контур регенеративной обратной связи, связывающей базу VT1 через усилитель тока (каскад с общей базой на транзисторе VT2) с его эмиттерной цепью уменьшает влияние емкости коллекторного перехода VT1 (Ск) на частоту единичного усиления усилителя тока УТ1.
. (15)
Таким образом, в случае применения транзисторов в рамках современных техпроцессов f1 практически точно определяется величиной их fт.
Дополнительно отметим, что применение входного преобразователя «напряжение-ток» (ПНТ) позволяет реализовать требуемое значение коэффициента усиления звена на частоте полюса
. (16)
Пример реализации звена второго порядка на базе повторителя тока приведен на рис. 3, а результаты его моделирования на рис. 4. Несмотря на относительно большое влияние частоты единичного усиления на основные параметры звена (3), (4), как видно из сравнения частоты максимума АЧХ и полюса (φ=0) их отличие не превышает 5%. Указанный факт объясняется, как отмечалось выше, особенностями реализации повторителя на базе собственной компенсации влияния емкости коллекторного перехода [4-7].
Рис. 3 Принципиальная схема звена RC-фильтра в САПР Cadence Virtuoso
Рис. 4 Амплитудная и фазочастотная характеристика звена активного СВЧ фильтра
Основные выводы
Полученные результаты показывают, что базовый принцип собственной компенсации [4-7] влияния неидеальности полупроводниковых компонентов позволяет существенно (соотношение (11)) уменьшить параметрическую чувствительность звеньев второго порядка полосовых фильтров и поэтому создать достаточные условия их реализации на базе существующих неприцизионных технологий.
Статья подготовлена при выполнения НИР по теме «Разработка и исследование аналоговой электронной компонентной базы нового поколения для систем связи, радиоэлектроники и технической кибернетики» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы»
Литература
1.S.G. Krutchinsky, N.N. Prokopenko High-frequency sections of active filters of mixed-signal SoC based on current amplifiers // http://mts.isrn.com/author/submit/electronics/ Крутчинский С.Г. Особенность структурного синтеза принципиальных схем микроэлектронных устройств частотной селекции // Известия РАН “Микро-электроника”. 1996. №4.
2.Крутчинский С.Г. Повышение стабильности ARC–устройств на базе унифицированных микрокомпонентов // Изв. ВУЗов Радиоэлектроника. 2002. Т. 45. № 2. C.55-61.
3.Крутчинский С.Г. Прокопенко Н.Н., Старченко Е.И. Компенсация паразитных емкостей активных элементов в электронных устройствах // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем : Сборник научных трудов / под общ. ред. Академика РАН А.Л. Стемпковского. М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН. 2006. С.194-199.
4.Крутчинский С.Г. Прокопенко Н.Н., Ковбасюк Н.В., Будяков А.С., Савченко Е.М. Методы компенсации основных составляющих выходной емкости транзисторов в аналоговых микросхемах // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем: Сборник научных трудов / под общ. ред. Академика РАН А.Л. Стемпковского. М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН. 2006. С. 223 – 228.
5.Крутчинский С.Г. Прокопенко Н.Н., Старченко Е.И., Будяков А.С., Савченко Е.М. Опыт разработки и моделирования аналоговых микросхем с предельными параметрами на базе Российских биполярных технологий // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем : Сборник научных трудов / под общ. ред. Академика РАН А.Л. Стемпковского. М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН. 2006. С. 206 – 211.
6.Prokopenko N.N., Budyakov A.S., Kovbasjuk N.V., Krutchinsky S.G., Savchenko J.M. Сompensation methods of basic transistors output capacitance components in analog integrated circuits // 4th European Conference on Circuits and Systems for Communications, ECCSC '08 sponsors: Romanian Ministry of Education. Bucharest, 2008. С. 77-82.