О. Дворников, В. Чеховский, Д. Драчев

Применение биополярного БМК для аналоговых ИС

Часть 3. Быстродействующий компаратор напряжения

Специализированный биполярный БМК создан в Национальном научно-учебном центре физики частиц и высоких энергий (НЦФЧВЭ, г. Минск) для проектирования широкого класса аналоговых ИС [1–3]. В настоящей статье рассматривается проектирование на БМК быстродействующего компаратора напряжения.

Компараторы напряжения являются одним из наиболее распространенных аналоговых блоков. Они не только обеспечивают связь аналоговых и цифровых схем, но и позволяют реализовать ряд необходимых в ра-диоэлектронной аппаратуре (РЭА) функций. Схемотехника компараторов напряжения очень близка к операционным усилителям, однако специфические требования к компараторам — работа без элементов отрицательной обратной связи в ключевом режиме, необходимость получения малых задержек и длительностей фронтов выходного сигнала — придают проектированию компараторов некоторые особенно-сти [4,5]. Разработанный БМК имеет высокочастотные n-p-n транзисторы с граничной частотой усиления более 3 ГГц, поэтому особый интерес представляет проектирование быстродействующего компаратора, в полной мере использующего возможности элементной базы.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная компаратора напряжения на БМК

Компаратор построен на ячейках Джильберта (GCхх) (рис. 1), представляющих собой два n-p-n транзистора с объединёнными коллекторами. В неиспользуемых транзисторах выводы закорочены [1]. Все резисторы выбраны из ряда, доступного для проектирования на БМК, их значения приведены в табл. 1.

Таблица 1. Величина резисторов комаратора напряжения

Компаратор содержит два дифференциальных каскада с резистивной нагрузкой (GC6, GC7 и GC14, GC15) и выходной дифференциальный каскад с “открытым” коллектором (GC20-21 и GC22-23). Для подавления эффекта Миллера в двух первых каскадах используется каскодное включение транзисторов. Транзисторы GC4, GC5, GC12 и GC13 включены по схеме с общей базой, причём их базовый потенциал определяет внутренний источник опорного напряжения (GC9-GC11, R9-R11). Для обеспечения необходимого сдвига постоянного уровня между каскадами включены эмиттерные повторители (GC1, GC17) и стабилитроны, выполненные на обратносмещённых эмиттерных переходах ячеек GC2 и GC18. Рабочий режим по постоянному току транзисторов первых двух каскадов компаратора задаётся токовым зеркалом (GC3, GC8, GC11 и GC16). С его помощью (GC19, GC24-25) производится установка тока выходного каскада. Для увеличения нагрузочной способности транзисторы выходного дифференциального каскада и его генератора стабильного тока сформированы каждый из 2 параллельно соединённых ячеек Джильберта.

Рис. 2. Форма выходного сигнала компаратора V_out1 при сопротивлении нагрузки:
"2" - 100 Ом, "3" - 200 Ом, "4" - 500 Ом, "5" - 1 кОм.
На вход INP1 подан нарастающий от -25 до 25 мВ импульс напряжения с длительностью переднего и заднего фронта 0,1 нс - кривая 1 (V_INP2 = 0 B)

Рис. 3. Зависимость задержек распространения при переключении из высокого уровня в низкий - t_D10, из низкого уровня в высокий - t_D001 и соответствующих длительностей фронтов выходного сигнала t_F10 и t_F01 от величины превышения порога V = V_(inp1) - V_(inp2). Сопротивление нагрузки компаратора - 200 Ом

Результаты моделирования выходных сигналов, полученные с использованием Pspice параметров, приведённых в [1], показаны на рис. 2–4 и в табл. 2:

• на рис. 2 приведена форма выходного сигнала компаратора;
• на рис. 3 приведена зависимость задержки распространения и длительности фронта выходного сигнала при переключении из высокого уровня в низкий и наоборот;
• рис. 4 иллюстрирует максимально допустимую частоту входных импульсов напряжения.

Рис. 4. Форма выходного сигнала компаратора V_(out1) при сопротивлении нагрузки 200 Ом. На вход INP1 подан нарастающий от -25 до 25 мВ импульс напряжения длительностью 3 нс с периодом 6нс (V_(inp2) = 0 В)

Предлагаемый компаратор имеет параметры, близкие к одному из лучших зарубежных аналогов MVL 407 фирмы LeCroy [6]. Малый ток потребления, открытый коллектор в выходном каскаде и возможность регулировки выходного тока предоставляют широкие возможности для использования разработанного компаратора в многоканальных полузаказных ИС.

Таблица 2. Основные параметры быстродействующего компаратора

*) При отключенном выходном каскаде

Литература

1. Дворников О.В., Чеховский В.А. Аналоговый биполярный БМК с расширенными функциональными возможностями // Chip News. — 1999. — № 2. — С. 21–24.
2. Дворников О.В., Чеховский В.А. Применение биполярного БМК для проектирования аналоговых ИС. Часть 1. Микромощные малошумящие зарядочувствительные усилители // Chip News. — 1999. — № 5. — С. 17–20.
3. Дворников О.В., Чеховский В.А. Применение биполярного БМК для проектирования аналоговых ИС. Часть 2. Быстродействующий зарядочувствительный усилитель-формирователь // Chip News. — 1999. — № 6. — С. 12–15.
4. Алексеев В.Ф., Дворников О.В., Чеховский В.А., Солин А.В. Схемотехника монолитных компараторов напряжения. БГУИР. — Мн.: Деп. в БелИСА, 26.02.98. N Д199815. — 1998. — 32 с.
5. Алексеев В.Ф., Дворников О.В., Чеховский В.А., Солин А.В. Монолитные дискриминаторы быстрых сигналов. БГУИР. — Мн.: Деп. в БелИСА, 26.02.98. N Д199817. — 1998. — 17 с.
6. Research Instrumentation Catalog. LeCroy Corporation Research Systems Division, 1996.

Национальный научно-учебный центр
физики частиц и высоких энергий при БГУ, Минск
Тел. (017) 231-4679
E-mail: tchek@hep.by, dvr@basnet.minsk.by