1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2023-28-1-96-111QUUOLI621.3.049.774.3Интегральные радиоэлектронные устройстваA high-speed broadband operational amplifiers on a master slice arrayБыстродействующие широкополосные операционные усилители на базовом матричном кристаллеДворников Олег ВладимировичДворниковОлег ВладимировичDvornikovOleg V.Oleg V. DvornikovЧеховский Владимир АлексеевичЧеховскийВладимир АлексеевичTchekhovskiVladimir A.Vladimir A. TchekhovskiПрокопенко Николай НиколаевичПрокопенкоНиколай НиколаевичProkopenkoNikolay N.Nikolay N. ProkopenkoГалкин Ярослав ДенисовичГалкинЯрослав ДенисовичGalkinYaroslav D.Yaroslav D. GalkinКунц Алексей ВадимовичКунцАлексей ВадимовичKuntsAlexey V.Alexey V. KuntsЧумаков Владислав ЕвгеньевичЧумаковВладислав ЕвгеньевичChumakovVladislav E.Vladislav E. ChumakovОАО «Минский научно-исследовательский приборостроительный институт», г. Минск, БеларусьБелорусский государственный университет, г. Минск, БеларусьДонской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия; Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, г. Москва, РоссияБелорусский государственный университет, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, БеларусьБелорусский государственный университет, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, БеларусьДонской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия 17042026Том. 28 №196111http://ivuz-e.ru/issues/1-_2023/bystrodeystvuyushchie_shirokopolosnye_operatsionnye_usiliteli_na_bazovom_matrich_nom_kristalle/http://ivuz-e.ru#

High-speed operational amplifiers are widely used in quantum-optical systems and fast pulse recording equipment. High level of parameters of such products is provided due to application of modern technological routes of microcircuits manufacturing, containing complementary bipolar transistors with high cutoff frequency and small parasitic capacitance of collector. Currently there are no above-noted technological routes for microcircuits manufacturing. In this work, to meet the domestic market demand for radioelectronic equipment, two operational amplifiers on a master slice array МН2ХА031 with unified stages and the possibility of changing the parameters by selecting the resistance of current conducting resistors and the capacity of the balancing capacitor are presented. The circuit diagrams are described and the results of circuit modeling of two products are provided: OAmp9 high-speed operational amplifier with gain bandwidth product of over 600 MHz, output voltage rise rate of over 400 V/µs with static parameters corresponding to operational amplifiers of general application, and OAmp10 low-noise precision amplifier with gain of about 2·106, offset voltage less than 50 µV and spectral noise floor relative to the input of about 1 nV/Hz0.5. The directions of further modernization of the developed amplifiers have been formulated, including in particular the reduction of parasitic collector capacitance of transistors by design engineering and reverse bias voltage, the application of nonlinear correction circuits, which allow approaching the amplifiers’ performance in a large signal mode to a low-signal mode.

В квантово-оптических системах, аппаратуре регистрации быстрых импульсов широко используются быстродействующие операционные усилители. Высокий уровень параметров таких изделий обеспечивается за счет применения современных технологических маршрутов изготовления микросхем, содержащих комплементарные биполярные транзисторы с высокой граничной частотой и малой паразитной емкостью коллектора. В настоящее время в России и Беларуси указанные технологические маршруты изготовления микросхем отсутствуют. В работе для удовлетворения существующей потребности отечественного рынка радиоэлектронной аппаратуры представлены два операционных усилителя на базовом матричном кристалле МН2ХА031 с унифицированными каскадами и возможностью изменения параметров с помощью выбора сопротивлений токозадающих резисторов и емкости корректирующего конденсатора. Описаны электрические схемы и приведены результаты схемотехнического моделирования двух изделий: быстродействующего операционного усилителя OAmp9 с произведением коэффициента усиления напряжения на ширину полосы пропускания (gain bandwidth product) более 600 МГц, скоростью нарастания выходного напряжения более 400 В/мкс при статических параметрах, соответствующих операционным усилителям общего применения, и прецизионного малошумящего усилителя OAmp10 с усилением около 2·106, напряжением смещения менее 50 мкВ и спектральной плотностью напряжения шума, отнесенной ко входу, около 1 нВ/Гц0,5. Сформулированы направления дальнейшей модернизации разработанных усилителей, в частности уменьшение паразитной коллекторной емкости транзисторов конструктивно-технологическим путем и подачей обратного напряжения смещения, применение нелинейных корректирующих цепей, позволяющих приблизить быстродействие усилителей в режиме большого сигнала к малосигнальному.

быстродействующий операционный усилительпрецизионный операционный усилительбазовый матричный кристаллкомплементарные биполярные транзисторыhigh-speed operational amplifierprecision operational amplifiermaster slice arraycomplementary bipolar transistorработа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 22-29-00637).the work has been supported by the Russian Science Foundation (project No. 22-29-00637). Smith D., Koen M., Witulski A. F. Evolution of high-speed operational amplifier archi-tectures // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1994. Vol. 29. Iss. 10. P. 1166–1179. https://doi.org/10.1109/4.315199Bowers D. F., Wurcer S. A. Recent developments in bipolar operational amplifiers // Pro-ceedings of the 1999 Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (Cat. No. 99CH37024). Minneapolis, MN: IEEE, 1999. P. 38–45. https://doi.org/10.1109/BIPOL.1999.803521Close J. High speed op amps: performance, process and topologies // 2012 IEEE Bipo-lar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM). Portland, OR: IEEE, 2012. P. 1–8. https://doi.org/10.1109/BCTM.2012.6352648Bowers D. F. A precision dual “current feedback” operational amplifier // Proceedings of the 1988 Bipolar Circuits and Technology Meeting. Minneapolis, MN: IEEE, 1988. P. 68–70. https://doi.org/10.1109/BIPOL.1988.51047Bowers D. F. A 6.8 mA closed-loop monolithic buffer with 120 MHz bandwidth, 4000 V//spl mu/S slew rate and /spl plusmn/12 V signal compatibility // Proceedings of IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. Minneapolis, MN: IEEE, 1994. P. 23–26. https://doi.org/10.1109/BIPOL.1994.587846Bales J. A low-power, high-speed, current-feedback op-amp with a novel Class AB high current output stage // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1997. Vol. 32. Iss. 9. P. 1470–1474. https://doi.org/10.1109/4.628768Bowers D. F. A fast precision operational amplifier featuring two separate control loops // 2014 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM). Coronado, CA: IEEE, 2014. P. 72–75. https://doi.org/10.1109/BCTM.2014.6981288Прокопенко Н. Н., Дворников О. В., Бугакова А. В. Проектирование низкотемпера-турных и радиационно-стойких аналоговых микросхем для обработки сигналов датчиков: монография. М.: СОЛОН-Пресс, 2021. 200 с.Prokopenko N. N., Dvornikov O. V., Bugakova A. V. Designing low-temperature and radiation-resistant analog microcircuits for sensor signals processing, monograph. Moscow, SOLON-Press Publ., 2021. 200 p. (In Russian).Проектирование аналоговых микросхем для экстремальных условий эксплуатации на основе базового матричного кристалла МН2ХА031 / О. В. Дворников, В. А. Чеховский, Н. Н. Прокопенко и др. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2021. № 2. С. 37–46. https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-2-37-46Dvornikov О. V., Tchekhovsky V. A., Prokopenko N. N., Galkin Y. D., Kunts A. V., Chumakov V. E. Analog integrated circuits design for extreme environmental conditions on the base of master slice array МН2ХА031. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh system (MES) = Problems of Development of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems (MES), 2021, no. 2, pp. 37–46. (In Russian). https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-2-37-46Радиационно стойкие компоненты полузаказных аналоговых микросхем / О. В. Дворников, В. А. Чеховский, Н. Н. Прокопенко и др. // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 3. С. 308–321. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-3-308-321Dvornikov O. V., Tchekhovsky V. A., Prokopenko N. N., Galkin Ya. D., Kunts A. V., Chumakov V. E. Radiation-hardened components of semi-custom analog microcircuits. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 3, pp. 308–321. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-3-308-321Koen M., Smith D., Damitio P. A very high speed operational amplifier array // 1993 Proceedings of IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. Minneapolis, MN: IEEE, 1993. P. 153–156. https://doi.org/10.1109/BIPOL.1993.617488Analog devices: ultralow distortion, ultralow noise op amp AD797 // Datasheetspdf [Электронный ресурс]. URL: https://datasheetspdf.com/pdf-file/1186795/AnalogDevices/AD797/1 (дата обращения: 30.11.2022).Moraveji F. A wide-band, low-power, high slew rate voltage-feedback operational am-plifier // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1996. Vol. 31. Iss. 1. P. 10–16. https://doi.org/10.1109/4.485839Дворников О. В. Схемотехника биполярно-полевых аналоговых микросхем. Ч. 3: Источники тока, управляемые током с нерегулируемым коэффициентом передачи // Chip News: Инженерная микроэлектроника. 2005. № 1. С. 12–15.Dvornikov O. V. Schematics of bipolar-field analog microcircuits. Part 3. Current-controlled current sources with unregulated transfer ratio. Chip News, 2005, no. 1, pp. 12–15. (In Russian).Пат. 2168263 РФ. Повторитель напряжения / И. Е. Старченко; заявл. 25.04.2000, опубл. 27.05.2001.Starchenko I. E. Voltage follower. Patent 2168263 RF, publ. 27.05.2001. (In Russian).Дворников О. В. Схемотехника биполярно-полевых аналоговых микросхем. Ч. 7: Интегральные дифференциальные каскады // Chip News: Инженерная микроэлектроника. 2005. № 8. С. 38–47.Dvornikov O. V. Schematics of bipolar-field analog microcircuits. Part 7. Integral differential cascades. Chip News, 2005, no. 8, pp. 38–47. (In Russian).Прокопенко Н. Н. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: монография. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. 223 с.Prokopenko N. N. Nonlinear active correction in precision analog microcircuits, monograph. Rostov-on-Don, Izd-vo SKNTs VSh Publ., 2000. 223 p. (In Russian).