CC BY
53
Жебрун Евгений Андреевич - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: +79614038879; кафедра систем автоматического управления; магистрант.
Zhebrun Eugeniy Andreevich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected]; 44 Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia; phone. +79614038879; the department of automatic control systems; magister.
УДК 621.372.51
A.B.Золотарев БЕЗДРЕЙФОВЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ СПЕКТРА С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ЧАСТОТ
Рассмотрены принципы построения бездрейфового ограничителя спектра с расширенным диапазоном рабочих частот на базе суперемкости. Показана эффективность использования мультифференциальных операционных усилителей в структуре суперемкости для организации цепей собственной компенсации и минимизации параметрической чувствительности лестничных фильтров. Показано, что использование i^eneii собственной и
D- .
Для технологического процесса SGB25VD в КМОП-базисе разработана принципиальная схема лестничного фильтра третьего порядка, приведены результаты моделирования в среде Cadence Virtuoso.
Ограничитель спектра; фильтр нижних частот (ФНЧ); суперемкость; мультидиф-ференциальный операционный усилитель.
A.V. Zolotarev
DRIFT FREE SPECTRUM LIMITERS WITH WIDENED OPERATING FREQUENCY RANGE
The principles of constructing Drift free limiter range with extension-cussed a range of operating frequencies on the basis of superemkosti. The efficiency of using multifferentsialnyh operational amplifiers in the structure for the organization of chains superemkosti own compensation and minimize the parametric sensitivity of the ladder filter. It is shown that the use of chains and their own mutual compensation allows high frequency properties of D-elements. To process in a CMOS SGB25VD basis developed a schematic diagram of a ladder filter of third order, the results of modeling in Cadence Virtuoso.
Spectrum limiter; low pass filter (LPF); supercapacitance; multidifferentional operational amplifier.
Создание современных смешанных систем на кристалле (СнК), ориентированных на системы технической диагностики, предполагает разработку входных сложнофункциональных блоков (СФ блоков), обеспечивающих взаимодействие с внешними источниками первичной информации. Одна из наиболее передовых
,
, -
тях - микроэлектронные электромеханические системы (MEMS). Современные MEMS устройства фактически представляют собой результат трехмерной системной интеграции на одном общем носителе микроэлектронных схем и неэлектронных структурных элементов микроустройств, выполняющих сенсорные (измери-
тельные), сигналообрабатывающие, актюаторные (исполнительные), дисплейные и управляющие функции. Таким образом, технология МБМБ позволяет дополнять традиционную электронную схему датчиками и исполнительными механизмами, достигая тем самым интегрированности изготовления законченной системы. Важными областями применения МБМБ являются техническая диагностика и автоматическое управление, на которые и ориентирована разработка СФ-блоков. Одним из базовых устройств таких блоков являются прецизионные ограничители спектра. Для обеспечения предельно низкой погрешности реализации в диапазоне рабочих частот используются лестничные фильтры нижних частот (ФНЧ) [1].
Основные параметры фильтров нижних частот. Особенность функций параметрических чувствительностей лестничных структур в широком диапазоне , ( ) -дит в основном только к смещению граничной частоты полосы пропускания, а
,
, , , усилители (ОУ). Для существующих технологий эта проблема является доминирующей и определяет конечную эффективность лестничных ФНЧ в соответст-- .
лестничных ФНЧ используются нормальные Б-элементы (суперемкости) [1], имеющие входную проводимость
^ = р 2СС (1)
где Ъ - сопротивление источника сигнала; к - коэффициент пропорциональности. Базовая схемотехника низкочувствительных Б-элементов. Можно строго
,
фильтров необходимо использовать суперемкости, реализованные на базе двух ОУ. В результате исследований было выяснено, что звено Антонио с емкостной нагрузкой (рис. 1) обладает потенциально более высокими частотными свойствами и низкой параметрической чувствительностью в сравнении с другими вариантами реализации Б-элемента и позволяет исключить влияние ЭДС-смещения ОУ на дрейф нуля ФНЧ.
Рис. 1. Звено Антонио с емкостной нагрузкой Верхний уровень динамического диапазона определится выражением
UВЫХМЛХ , ! _ , ч ТТ
---------, (Л> 1) или иШХШх , (^ 1), (2)
где V/ Л = max||Fj(j®)|MAX/w\> ); \Fj- максимальный коэффи-
циент усиления схемы на выходе j-ro ОУ.
Основное влияние на динамический диапазон схемы оказывают собственные
шумы, которые обусловлены шумовыми свойствами резисторов и активных элемен-
. -венно уменьшить выбором их номиналов и типов. В этой связи при проектировании высококачественных схем необходимо сконцентрировать усилия на минимизации
вклада активных элементов в собственный шум схемы. Вклад >го ОУ в собственный шум схемы определяется модулем локальной передаточной функции Щр) с его входа к нагрузке. Локальные передаточные функции Б-элемента р(р)и Н(р) имеют вид
1 ~ Р 1
Р ---------1 „ , 1
Р(р)=-----, Р_(р)=--------------Р-Ь-в—; <3)
Р **2^ + 1 р’-Г,Г21рР+ 1
_ Р*11-Р-1
гр*;--Р ,»*(р)= г ■ <4>
Р рг,г,---— + 1 Р2**----— + 1
и 12 Р ^ 12 Р
Анализ (3) показывает, что в общем случае, согласно (2), выходное напряжение одного из ОУ превосходит выходное напряжение фильтра в два раза, что и уменьшает верхнюю границу динамического диапазона схемы. В реальном ФНЧ высокого порядка его максимальное выходное напряжение многократно меньше выходного напряжения на выходах ОУ.
Структура цепей взаимной компенсации. Рассмотренная схема устойчивого Б-элемента характеризуются невысокими частотными свойствами, сужающими область его практического использования. В соответствии с методикой построения цепей собственной и взаимной компенсации, описанной в [2], этот недостаток устраняется введением компенсирующего контура обратной связи. Для этого целесообразно использовать емкость Сьв этом случае дополнительные передаточные функции будут иметь следующий вид:
»к (Р) = Рс = -^/У2 , (5)
Р р2**^ 1
/
2 *
Р *1*2 + Р т2--Р »к (Р ) = Р2С =-----[ГР----- , (6)
р2*Тп----+ 1
у 12 Р
и при выполнении условия Р = 0,5 (Ъ3 = Ъ4) вблизи частоты среза наблюдается собственная компенсация влияния площадей усиления ОУ на затухание, а относительное изменение частоты полюса примет вид
~ Дор <ОР
ОСОр = —— = —-(Ор 2
' 1 1 Л
------1----
чП1 П2у
где ПI = 2я/1. Таким образом, если при реализации дополнительного контура компенсирующей обратной связи выполнить условие
Рдс = Рс + Р2С = -2 РТ\ , (8)
Р *1*2 +1
то действие контура будет направлено на взаимную компенсацию относительного изменения частоты полюса. На рис. 2 приведена принципиальная схема бездрейфо-
вого ФНЧ на базе звена Антонио с емкостной нагрузкой. В этой схеме дрейф нуля
определяется входным током (1+ ) ОУ 2
идр = /в+2 Ъ+ С4 (Ъ+ Ъ) (9)
и легко минимизируется схемотехникой его входного каскада.
Т
Вых
Рис. 2. Бездрейфовый ФНЧ без цепей взаимной компенсации
Можно показать, что условие компенсации влияния П1 и П2 при / = 0,5 имеет вид
где В(р) - характеристический полином Б-элемента, ДВ(р) - его приращение.
Использование МОУ в схемотехнике широкополосных Б-элементов предоставляет возможность обеспечения высокого уровня собственной компенсации влияния П1 и П2 на «старшие» коэффициенты результирующей передаточной функции, которые в конечном итоге и определяют искажения АЧХ- и ФЧХ-фильтра в полосе пропускания, за счет выбора коэффициентов усиления К1 и К2 дополнительных дифференциальных входов введенных МОУ.
На рис.3 приведена принципиальная схема ФНЧ третьего порядка, в рамках которой Б-элeмeнты реализованы парой МОУ.
Здесь, при К0=1, К1 и К2 определяют отношение коэффициента передачи МОУ по компенсирующим каналам к аналогичному коэффициенту основного канала. Как видно из (10), повышение уровня собствен ной компенсации влияния П1 и П2 возможно выполнением условия К1=К2=1, при этом в ФНЧ третьего порядка запас устойчивости обеспечивается влиянием Я5, С3 (т„ непосредственно влияет на ).
Результаты моделирования. Для построения и исследования спроектированного ФНЧ в соответствии с методикой проектирования МОУ, предложенной в [3], а также с использованием принципов собственной и взаимной компенсации параметров ОУ, описанных в [4], на КМОП-транзисторах техпроцесса ЗОБ25УБ разработан мультидифференциальный ОУ с параметрами, приведёнными в табл. 1.
(10)
Рис. 3. Бездрейфовый ФНЧна базе МОУ
1
Характеристики спроектированного ОУ
¡1, Афронта К оссн /■ ■/ гр оссн ЕМ ,
дБ МГц В/мкс дБ кГц мкВ
140 260 340 150 14 3,5
Здесь: Кч - дифференциальный коэффициент усиления, /1 - частота единичного усиления, £>фронта+ - скорость нарастания напряжения, Киссп - коэффициент ослабления синфазного сигнала, Ї - граничная частота ослабления син-
~ ¿гр_осси 1
фазного сигнала, Е6.м - ЭДС смещения на выходе усилителя, ивь1Х.тах+ - максимальное выходное напряжение.
а««и
10° 101 Ю2 103 Ю4 10* 10е 107 10®
ггва (Их)
Рис. 4. А ЧХ спроектированного ограничителя спектра: А - без компенсации; В - с цепями собственной компенсации
Применение этих МОУ в структуре рис. 3 позволило реализовать ФНЧ, амплитудно-частотная характеристика которого показана на (см. рис. 4) (кривые B). Здесь же показана АЧХ ФНЧ в полосе пропускания в сравнении с соответствующей характеристикой фильтра рис. 2 (кривые А). Отметим, что идеальный фильтр характеризуется неравномерностью АЧХ в 0,1 дБ. Как видно из графиков, неравномерность АЧХ с применением МОУ уменьшилась почти в 2 раза, а также усилилось подавление сигнала за полосой пропускания фильтра. Следует отметить, что эффективность компенсирующих обратных связей напрямую зависит от ши. , 40 -
номерность АЧХ за счет цепей компенсации уменьшится в 10 раз.
, -тивных элементов и свойств структуры лестничных ФНЧ обеспечивает создание прецизионных ограничителей спектра с расширенным диапазоном частот.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Коротков А.С. Микроэлектронные аналоговые фильтры на преобразователях импеданса. - СПб.: Наука,1999. - 416 с.
2. . .
ВЧ- и СВЧ-диапазонов // Сборник трудов ВНТК «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем». - 2008. - C. 348-353.
3. .. ..
// « аналоговой микросистемотехники». - 2003. - C. 125-137.
4. Krutchinskiy S.G., Tsibin M.S., Titov A.E. Common-mode signal minimization in differential stage. EWDTS-2010, St.Petersburg, Russia, 2006. - P. 242-245.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Н.Н. Прокопенко.
Золотарев Антон Владимирович - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: [email protected]; 347900, г. Таганрог, 3-я линия, 91; тел.: 88634371773; магистрант.
Zolotarev Anton Vladimirovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected]; 91, 3rd line, Taganrog, 347900, Russia; phone: +78634371773; magister.
УДК 621.372
..
ЭКОНОМИЧНЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ СМЕШАННЫХ СНК И СВК
Сформулированы комплексные требования к экономичным сенсорным интерфейсам
,
датчиками. Обоснована перспективность и показана возможность интеграции интерфейсов в смешанные СнК и СвК для локальных систем управления и диагностики. Освещены структурные и схемотехнические подходы, обеспечивающие удовлетворение предъявленных к интерфейсам требований. Представлены результаты моделирования разработки.
Прецизионный экономичный КМОП аналоговый сенсорный интерфейс; смешанные СнК и СвК; МЭМС, прецизионный широкополосный мультидифференциальный ОУ; ограни; .
