Российский операционный усилитель КМОП с архитектурой rail-to-rail

С переходом на все более прогрессивные технологические процессы изготовления цифровых СБИС, с уменьшением минимального топологического размера происходит неизбежное снижение напряжения питания, а поскольку построить законченную систему только на цифровых элементах практически невозможно, то соответственно возрастают требования и к элементной базе аналого-цифрового интерфейса, основным компонентом которого был и остается ОУ. Стандартным ОУ общего назначения, как известно, присущи ограничения на диапазоны входных и выходных напряжений, из-за которых 2–3 В из номинала напряжения питания фактически оказываются потерянными при определении динамического диапазона системы. При двуполярном питании ±15 В это обстоятельство не создает заметных проблем, однако при построении современных аналого-цифровых систем используется однополярное питание 2,5, 3,3 и 5 В, что диктует применение только ОУ архитектуры rail-to-rail. В дальнейшем эта тенденция приведет к переходу на рабочие напряжения питания на уровне 1 В. Фирма Xilinx, например, уже объявила о выпуске нового семейства ПЛИС Spartan-3, изготавливаемого на пластинах диаметром 300 мм по технологии с топологическими нормами 90 нм и напряжением питания 1,2 В. Цена таких изделий составляет около $20 за кристалл с 1 миллионом вентилей (http://www.xilinx.com/spartan3), что фактически знаменует собой начало перехода на качественно новый уровень в области элементной базы сложных систем. Для работы в таких системах обычных ОУ rail-to-rail уже недостаточно, и становятся актуальными так называемые ОУ beyond-the-rails, работоспособные при входных синфазных сигналах, выходящих за рамки уровней шин питания [2].

Помимо фактора, обусловленного тенденцией к снижению напряжения питания цифровых СБИС, необходимо отметить, что неуклонно расширяется область экономичных низковольтных применений ОУ, таких, как портативная аппаратура с батарейным питанием, слуховые аппараты, тонометры, кардиостимуляторы и другие приборы медицинского назначения, портативные аудиоустройства, а также аппаратура специального применения.

Учитывая перечисленные факторы и тенденции, ФГУП «НЗПП с ОКБ» разработало на основе архитектуры rail-to-rail серию счетверенных КМОП ОУ, состоящую из четырех ИС: К1476УД1Т, К1476УД2Т, К1476УД3АТ, К1476УД3БТ. Каждая ИС содержит четыре программируемых КМОП ОУ с раздельными входами и выходами, имеющих общую цепь программирования рабочего режима и общий вход для перевода ИС в ждущий режим с малым потреблением (функция Standby). Программирование осуществляется выбором сопротивления одного внешнего резистора, включаемого между входом R ИС и положительным выводом источника питания.

Структурная схема одного ОУ ИС, отражающая общие признаки архитектуры rail-to-rail применительно к КМОП-технологии, приведена на рис. 1. Основной чертой, характерной для всех КМОП rail-to-rail ОУ, является построение входного дифференциального каскада на основе параллельного включения комплементарных дифференциальных пар МОП-транзисторов, за счет чего обеспечивается работоспособность ОУ в диапазоне синфазных входных напряжений, который может даже превышать пределы, установленные напряжениями шин питания (то есть обеспечивается режим beyond-the-rails), но на величину, не превышающую прямое падение напряжения на диодах входной защиты. По аналогичной структурной схеме реализованы отечественные КМОП ОУ серии 1446 [3], в состав которой входит счетверенный ОУ 1446УД3, являющийся ближайшим отечественным аналогом ОУ серии К1476УД…Т. Основным преимуществом ИС серии К1476УД…Т по отношению к ИС 1446-й серии являются улучшенные функциональные возможности (за счет программирования рабочего режима ОУ и наличия функции Standby). Первый фактор обеспечивает:

• универсальный характер ИС, ОУ которой, в зависимости от номинала одного внешнего резистора, может быть как микромощным, так и быстродействующим, причем переход от одного режима к другому может происходить в процессе работы ИС под воздействием внешнего управляющего сигнала;
• расширение области применения ОУ за счет новых нестандартных схемотехнических решений.

Второй из перечисленных выше факторов позволяет оптимизировать мощность потребления в системах с активным и пассивным режимами работы, например, в приемниках систем персонального радиовызова. Вопросам применения ИС серии К1476УД…Т, в том числе и нестандартным, имеющим определенные преимущества перед типовыми, посвящена отдельная статья, которая будет предложена вниманию читателей в ближайшее время.

Ближайшими зарубежными аналогами ИС серии К1476УД…Т являются ИС TLV2465 фирмы Texas Instruments и AD8594 от Analog Devices. Оба аналога совместимы с ИС серии К1476УД…Т по выводам, имеют функцию Standby, но, поскольку возможность программирования в данных аналогах не предусмотрена, вывод № 8 16-выводного корпуса в них не используется (обозначен как NC — no connect). К1476УД…Т проигрывает названным зарубежным аналогам по единственному параметру — максимальному выходному току, но превосходит их по диапазону допустимых питающих напряжений, коэффициенту усиления по постоянному току и коэффициенту подавления синфазного сигнала. Это обусловлено тем, что для производства зарубежных аналогов используется КМОП-технология с меньшими топологическими нормами, на основе которой проще обеспечить большой выходной ток, но труднее сохранить точностные показатели и которая к тому же является более низковольтной. Недостатком серии К1476УД…Т является также планарный металлокерамический корпус типа 402.16, однако предприятие-изготовитель планирует переход на более современное конструктивное исполнение.

Структурная схема ИС К1476УД…Т приведена на рис. 2. Рабочий режим каждого ОУ ИС задается четырьмя напряжениями, которые вырабатывает общий для всех каналов блок BIAS. Назначение выводов описано в таблице 2.

Основные технические характеристики ОУ серии К1476УД…Т приведены в таблице 1, а на рис. 3–5 приведены амплитудно-частотные характеристики ОУ с разомкнутой цепью обратной связи для трех значений программирующего тока.

ИС К1476УД1Т является базовым вариантом ОУ архитектуры rail-to-rail серии К1476УД…Т и изготавливается на основе стандартного технологического процесса КМОП. ИС К1476УД2Т выполнена по идентичной с ИС К1476УД1Т электрической принципиальной схеме, однако в технологический процесс ее изготовления введена дополнительная операция, что привело к заметному увеличению коэффициента усиления по постоянному току, но также и к ухудшению динамических параметров. ОУ ИС К1476УД3АТ, К1476УД3БТ отличается от базового варианта тем, что во входном дифференциальном каскаде работает только пара транзисторов одного типа, что, строго говоря, должно приводить к тому, что данное устройство не является rail-to-rail ОУ по входу. Однако благодаря тому, что входные дифференциальные пары спроектированы с учетом возможности работы в подпороговом режиме, практически трудно зафиксировать заметное отличие данного ОУ от остальных по диапазону синфазного входного сигнала. С другой стороны, существенным преимуществом этой ИС является заметно меньшее напряжение смещения, — у ИС К1476УД3АТ этот параметр не превосходит величины 1 мВ для всех четырех ОУ, расположенных на кристалле ИС.

Таким образом, анализ электрических характеристик ИС серии К1476УД…Т и их сравнение с параметрами отечественных и зарубежных аналогов свидетельствуют, что ОУ данной серии являются современными КМОП rail-to-rail ОУ, которые могут составить конкуренцию аналогичным изделиям ведущих мировых фирм-производителей на внутреннем рынке, особенно в тех областях, где имеются требования функционирования в жестких условиях эксплуатации.

Возвращаясь к вопросам системного характера, уже затронутым в начале статьи, отметим, что в последнее время наметилась тенденция к проектированию систем на кристалле на основе так называемых IP-модулей, под которыми понимаются законченные функциональные фрагменты системы, выполняющие типовые функции и имеющие тот или иной уровень реализации (алгоритмический, программный, уровень HDL-описания, схемотехнический, топологический). Такой подход позволяет пользователю библиотеки IP-модулей компоновать разрабатываемую им систему из этих модулей как их «черных ящиков», абстрагируясь от их структуры и используя интеллектуальные ресурсы, воплощенные в IP-модулях, сократить сроки и стоимость проектирования системы, а также снизить его риск. Поскольку уже сейчас более четверти всех проектируемых систем на кристалле являются аналого-цифровыми, а к 2006 году прогнозируется, что их доля достигнет 70% [4], то возрастающая актуальность аналоговых и аналого-цифровых IP-модулей, совместимых с идеологией «система на кристалле» (а значит, и с современными технологиями цифровых КМОП СБИС), становится очевидной. В этом аспекте, учитывая тот факт, что ОУ серии К1476УД…Т изготавливаются по стандартной цифровой технологии КМОП, данные ОУ могут рассматриваться как апробированные на практике IP-модули схемотехнического и топологического уровней, имеющие известный уровень параметров. Как топологический IP-модуль этот ОУ может использоваться при проектировании сложных аналого-цифровых БИС на основе технологии предприятия-изготовителя ИС серии К1476УД…Т, как схемотехнический IP-модуль ОУ может применяться в СБИС типа «система на кристалле», разрабатываемых на основе более прогрессивных технологий.