CC BY
75
4. Крутчинский С.Г., Старченко Е.И., Гавлицкий А.И., Малышев И.В. Квадратурные модуляторы для технологического процесса SGB25VD. Опыт практической разработки // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов / Под общ. ред. А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2008. - С. 313-317.
5. Христич В.В. Синтез активных фильтров с низкой параметрической чувствительностью.
- Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. - 186 с.
6. Крутчинский С.Г., Титов А.Е., ЦыбинМ.С. Входные каскады дифференциальных и мультидифференциальных операционных усилителей с высоким ослаблением синфазного напряжения // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010: Сборник трудов / Под общ. ред. академика А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 537-542.
7. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Под ред. А.А. Ланю. - М.: Радио и связь, 1984.
8. Крутчинский С.Г., Структурный синтез в аналоговой микросхемотехнике. - Шахты: ЮРГУЭС, 2010. - 260 с.
9. www.ihp-microelectronics.com.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Н.Н. Прокопенко.
Свизев Виктор Альбертович - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»; e-mail: pfdp@mail.ru; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский 44; тел.: 89045082271; кафедра систем автоматического управления; магистрант.
Svizev Victor Albertovich - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: pfdp@mail.ru; 44, Nekrasovsky Taganrog, 347928, Russia; phone: +79045082271; the department of automatic control systems; magistrand.
УДК 621.375
А.И. Серебряков, Н.Н. Прокопенко, Н.В. Бутырлагин
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ И МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ В ЭЛЕМЕНТНОМ БАЗИСЕ РАДИАЦИОННО-СТОЙКОГО ТЕХПРОЦЕССА АБМК_1.5*
Статья посвящена обобщению и дальнейшему развитию схемотехники операционных усилителей (ОУ) на основе радиационно-стойкого техпроцесса аналогового базового матричного кристалла АБМК1.5 (ОАО «Интеграл», г. Минск, Белоруссия). Рассматриваются архитектуры ОУ, которые реализуются на основе БЛ^БЕТ-транзисторов и несимметричных дифференциальных каскадов без источников опорного тока (НДК). Самостоятельно схемы НДК не обеспечивают эффективную компенсацию напряжения смещения нуля (Есм) и его дрейфа (есм). Показано что, если НДК имеет повышенную, но достаточно стабильную величину Есм, то устранить этот недостаток можно структурными методами. Получены условия минимизации дрейфа напряжения смещения нуля есм ОУ, обусловленного влиянием температуры и радиации. Исследуется нестабильность нулевого уровня пяти модификаций ОУ с учетом влияния их вспомогательных функциональных узлов (токовых зеркал). Предлагаемые схемотехнические решения ориентированы на использование в качестве -модулей микроэлектронных «систем в корпусе» устройств автоматики и вычислительной техники.
Мультидифференциальный операционный усилитель; несимметричный дифференциальный каскад; напряжение смещения нуля; «система в корпусе».
* Подготовлено в рамках Госзадания № 2014/38-2014 г. Минобрнауки РФ.
A.I. Serebryakov, N.N. Prokopenko, N.V. Butyrlagin
DIFFERENTIAL AND DIFFERENTIAL DIFFERENCE AMPLIFIERS
IN THE RADIATION-RESISTANT ELEMENT BASIS OF PROCESS TECHNOLOGY ABMK_1.5
Article is devoted to the synthesis and further development of circuit design of operational amplifiers (op-amp) based on radiation-resistant process technology, analog base crystal matrix ABMK1.5 ("Integral", Minsk, Belarus). Considered architecture op-amp which are realized based on BJT-JFET-transistors and asymmetric differential stages without reference current sources (As-DS). As-DS independently circuits do not provide effective compensation offset voltage (Eofset) and its drift (eofset). Shown that if the As-DS has increased, but rather stable value -Eofseb then you can eliminate this drawback by structural methods. Conditions are obtained to minimize drift offset voltage op-amp eofset due to the influence of temperature and radiation. Also explores the instability zero level five modifications op-amp with the influence their subsidiary functional units (current mirror). The proposed circuit solutions targeted for use as an IP-microelectronic modules "system in package" automation devices and computers.
Multidifferential operational amplifier; differential difference amplifier; unsymmetrical differential stage; offset voltage; "system in package".
Введение. Широкое применение классического дифференциального каскада (ДК) в аналоговой микросхемотехнике обусловлено, прежде всего, замечательным свойством его структуры - взаимной компенсацией температурных и радиационных эффектов, связанных с дрейфом характеристик идентичных входных транзисторов [1].
При создании различных электронных устройств автоматики и вычислительной техники на основе радиационно-стойких аналоговых базовых матричных кристаллов АБМК_1.3, АБМК_1.4. АБМК_1.5 [2], работающих в жестких условиях эксплуатации, возникает проблема синтеза ДК при ограничениях на качество и типы активных компонентов, реализуемых в технологическом процессе АБМК.
В работах [3, 4] показано, что достаточно перспективным для многих электронных схем рассматриваемого класса являются несимметричные входные ДК на основе n-p-n-биполярных (BJT) и p-канальных полевых (JFET) транзисторов, которые не требуют источников опорного тока для установления статического режима. Это позволяет синтезировать нетрадиционные схемотехнические решения ОУ [5], аналоговых перемножителей сигналов [6], источников опорного напряжения [7], буферных усилителей с высоким входным сопротивлением [5], мульти-дифференциальных ОУ [5, 8, 9 ,10, 11] и т.п.
Следует отметить, что несимметричный дифференциальный усилитель (НДУ) [3,4] может иметь широкий диапазон активной работы [1], что положительно сказывается на быстродействии и свойствах достаточно перспективных муль-тидифференциальных ОУ [5, 8, 9, 10, 11] для техпроцесса АБМК.
Самостоятельно схемы несимметричных ДК не обеспечивают эффективную компенсацию напряжения смещения нуля (E^) и его дрейфа (e^) [1]. Если несимметричный дифференциальный усилитель имеет повышенную, но детерминированную (не случайную) нестабильность e^, то устранить этот недостаток можно структурными методами.
Настоящая статья посвящена обобщению и дальнейшему развитию схемотехники ОУ на основе радиационно-стойкого техпроцесса АБМК [2]. При этом исследуется нестабильность нулевого уровеня с учетом влияния вспомогательных функциональных узлов ОУ.
Постановка задачи. На рис. 1-5 приведены функциональные схемы ОУ, имеющих взаимную компенсацию дрейфовых параметров двух несимметричных дифференциальных усилителей (НДУ). Один из них (НДУ1) - обеспечивает усиление сигнала, второй (НДУ2) - создает цепь параметрической компенсации температурных и радиационных эффектов. Это его главное назначение. Если НДУ1 и НДУ2 идентичны, а применяемые в схемах повторители тока ПТ1 (ПТ2) имеют единичные коэффициенты усиления по току, то, несмотря на нестабильность статического режима НДУ1, результирующие параметры по дрейфу усилительных структур (рис. 1-5) могут быть не хуже, чем у классического параллельно-балансного каскада [1].
В качестве НДУ2 должны использоваться дифференциальные усилители, допускающие непосредственное соединение входов Вх .1 и Вх .2 без нарушения статического режима. В общем случае НДУ1 (НДУ2) имеют основной (3) и вспомогательный (3 ) выходы, характеризующиеся высокими значениями выходных сопротивлений (Яц, Лг-2) и имеющие некоторую проводимость передачи к соответствующим выходам у211 ~ у212.
Входы вспомогательного НДУ2 могут также использоваться как дополнительные входные узлы в мультидифференциальных входных ОУ [5], а также для включения цепей регулировки Есм и его температурного дрейфа есм, введения корректирующих сигналов и т.п. Это значительно расширяет области применения балансных усилителей рассматриваемого класса.
Замечательной особенностью ОУ на рис. 1-5 является их способность к са-моустановлению нулевых значений регулярной составляющей есм без каких-либо дополнительных настроек и балансировок.
Рассмотрим условия минимизации дрейфа нулевого уровня в усилителях (рис. 1-5), полагая, что НДУ1 и НДУ2 в данных схемах имеют некоторые значения напряжений смещения нуля есм1 и есм2:
яр
е = —см!. д т, (1)
смл ят
а автономные (дрейфовые) параметры повторителей тока ПТ1 - ПТ2 характеризуются потенциальными (епть епт2) и токовыми (/пть 7пт2) составляющими [1]. Причем влиянием параметра еш на есм1, характеризующего смещение входной характеристики ПТ, во многих случаях можно пренебречь. Для высококачественных типовых повторителей тока [1] на биполярных транзисторах:
2к
]пт * 2]п = д т + 2 д 1кбл , (2)
где Ка=1,5+3 - поправочный коэффициент; р - коэффициент усиления по току базы выходного транзистора ПТ; Т - температура в градусах Кельвина и ее приращение (АТ); А1к&0 - температурное приращение обратного тока коллекторного р-п-перехода выходного транзистора ПТ.
Радиационные изменения автономных параметров транзисторов можно оценить с учетом результатов работы [12].
На рис. 1 представлена схема ОУ на основе последовательного включения несимметричных дифференциальных каскадов НДУ1 и НДУ2.
Практическая реализация структуры (рис. 1) только на биполярных транзисторах затруднена. Применение полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом в каскадах НДУ1 и НДУ2 позволяет выполнить условия получения минимального дрейфа э.д.с. смещения нуля ОУ:
бо
е = е _ -^21.2 . е
СМ Е СМ 1 СМ 2 ’
У2
(3)
1.1
где у21.1 (у21.2) - крутизна преобразования входного дифференциального напряжения НДУ1 (НДУ2) в его выходной ток.
Вх.1 о--------►
Вх*.1
о+
І1 І3 12 і
Вых.
3
Вх*.2
а
Рис. 1. ОУ на основе последовательно-балансного каскада
При одинаковых значениях есшЛ = есм.2 иу21.1=у21.2 в схеме (рис. 1) обеспечивается компенсация температурной и радиационной нестабильности есм несимметричных НДУ1 и НДУ2.
Уравнение для дрейфа Э.Д.С. смещения нуля другой модификации ОУ на основе двух НДУ и инвертирующего повторителя тока ПТ1 (рис. 2) имеет вид
У 2
1.2
У 21.1Кі.1
ПТ1
У21.1Кі.1
(4)
где К1Л~1 - коэффициент усиления по току инвертирующего повторителя ПТ1.
Условие компенсации дрейфа нуля в данной схеме при = есм2:
у 21.2 = у21.1 Кг'Л. (5)
Перспективный операционный усилитель на основе двух инвертирующих повторителей тока ПТ1-ПТ2 (рис. 3) имеет широкий диапазон изменения выходного напряжения. Его основная особенность - более высокая степень симметрии на переменном токе. При этом суммарное напряжение смещения нуля ОУ определяется формулой
У 21.2^7.1 „ , ]ПТ2 ~ ЗпТ1
У21.1Кі.
* е + ■
см.2
У21.1Кі.
(6)
есм.1 _
Рис. 2. Операционный усилитель на основе инвертирующего повторителя тока ПТ1
Операционный усилитель на рис. 4 использует более сложный «двухканальный» повторитель тока ПТ1. Дрейф его напряжения смещения нуля:
Ki.2 У 21.2 Ki.ly2l.l
JПТ1 y2l.lKi.l
(7)
В схеме ОУ рис. 5 применяются неинвертирующие каскодные повторители тока ПТ1, ПТ2. Как следствие, он имеет более широкий частотный диапазон и характеризуется следующим нулевым уровнем:
Ki.2 У 21.2 Кі.іУ 21.1
е +
см.2
J ПТ2 JПТ1
У 21.1Ki. 1
(8)
а
е —
см.2
есм.1
Рис. 3. ОУ на основе двух инвертирующих повторителей тока ПТ1-ПТ2
а
а
Рис. 4. ОУ на основе двухканального повторителя тока ПТ1
I1=Io+I с
Bx.(->1 J VT1
VT3 I RY *(+)i VT5 I +Ес1
Bx.(+)2 VT2 VT4
I0 І
4 Bx.*(-)2 +1 > o
VT6 \| -Ес2
I*0 і
G Г) I2=I0+I*0
б
Рис. З. ОУ на основе каскодных неинвертирующих повторителей тока ПТ1-ПТ2
а
э +
Если в данной сxеме обеспечить Ki2y212= Ki1y211, то систематическая составляющая нестабильности напряжения смещения нуля ОУ будет иметь минимальное значение.
Заключение
1. Разработаны альтернативные арxитектyры операционныx усилителей на основе несимметричныи дифференциальныx каскадов, которые (так же, как и классический параллельно-балансный усилитель) xарактеризyются наличием эффекта взаимной компенсации влияния автономный параметров применяемый активный элементов на статический режим. Это дает разработчикам электронный устройств автоматики дополнительную степень свободы при построении аналоговый устройств с высокой стабильностью нулевого уровня.
2. Решена одна из задач современной микроэлектроники - построение дифференциальный и мyльтидифференциальныx усилителей без источников опорного тока на BJT- и JFET-транзистораx теxпроцесса АБМК_1.5. Это расширяет представления сxемотеxников о методаx построения радиационно-стойкиx аналоговый микросxем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Aниcимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. - Л., 1979. - 148 с.
2. Прокопенко Н.Н., Дворников О.В., Крутчинский С.Г. Элементная база радиационно-стойкик информационно-измерительным систем: Монография / Под общ. ред. Н.Н. Прокопенко. - Шаxты: ФГБОУ BTO «ЮРГУЭС», 2011. - 208 с.
3. Прокопенко Н.Н., Ковбасюк Н.В. Cxемотеxника широкополосный усилителей в расширенном базисе n-p-n биполярным и p-канальным полевым транзисторов // Проблемы современной аналоговой микросxемотеxники: Сборник материалов Международного научно-практического семинара. - Шаxты: Изд-во ЮРГУЭС, 2002. - С. 94-105.
4. Прокопенко Н.Н., Будяков A.C., Сергеенко AM. Дифференциальные каскады на основе полевым и биполярным транзисторов // Проблемы современной аналоговой микросxе-мотеxники: Сб. материалов IV Международного научно-практического семинара / Под ред. Н.Н. Прокопенко. - Шаxты: Изд-во ЮрГУЭС, 2005. - С. 84-87.
5. Каталог разработок Российско-Белорусского центра аналоговой микросxемотеxники / Редкол.: Н.Н. Прокопенко, С.Г. Крутчинский, Е.И. Старченко и др. / Под ред. Н.Н. Прокопенко. - Шаxты: ГОУ BTO «ЮРГУЭС», 2010. - 479 с.
6. Prokopenko N.N., Serebryakov A.I., Konev D.N. The BiFET-Technology Voltage Analog Multipliers Based on the Radiation Resistant ABMC «Integral» // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBC0N-2009). Proceedings. - Tomsk: The Tomsk IEEE Chapter&Student Branch. Russia, Tomsk, March 27-28, 2009. - P. 244-248.
7. Старченко Е.И. Радиационно-стойкий температурно-стабильный источник опорного
напряжения отрицательной полярности // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: Материалы наyчно-теxнической конференции. - М.:
МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2013. - С. 185-18б.
8. Крутчинский С.Г., Цыбин М.С., Титов A.E. Bxодные каскады дифференциальным и мyльтидифференциальныx операционным усилителей с высоким ослаблением синфазного напряжения // Проблемы разработки перспективным микро- и наноэлектронным систем - 2010. Сборник трудов / Под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского.
- М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 537-542.
9. Крутчинский С.Г., Титов A.E. Мультидифференциальный операционный усилитель в режиме инструментального усилителя // Наyчно-теxнические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. - 2010. - № 3 (101). - С. 200-20З.
10. Прокопенко Н.Н., Будяков A.С., Хорунжий A.B. Нелинейные режимы в мультидиффе-ренциальныx операционным yсилителяx // Проблемы разработки перспективным микро-и наноэлектронным систем - 2008: Сборник научным трудов III Bсероссийской научно-теxнической конференции / Под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2008. - С. 340-З4З.
11. Sackinger E., Guggenbuhl W. A versatile building block: the CMOS differential difference amplifier // IEEE Journal of Solid State Circuits. - April 1987. - Vol. SC-22, №. 2. - P. 287-294.
12. Прокопенко Н.Н., Будяков П.С., Серебряков А.И. Автономные параметры транзисторов базового матричного кристалла АБМК_1_3 в условиях радиационных и температурных воздействий // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем
- 2012: Сборник трудов / Под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2012. - С. 294-297.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор С.Г. Крутчинский.
Серебряков Александр Игоревич - Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ; e-mail: sashaag@mail.ru; 346500, г. Шахты, ул. Шевченко, 147; тел.: +79034346279; кафедра информационных систем и радиотехники; аспирант.
Прокопенко Николай Николаевич - e-mail: prokopenko@sssu.ru; тел.: +79185182266; кафедра информационных систем и радиотехники; д.т.н.; профессор.
Бутырлагин Николай Владимирович - e-mail: nbutyrlagin@mail.ru; тел.: +79034320799; кафедра информационных систем и радиотехники; аспирант.
Serebryakov Alexander Igorevich - Institute of service and business (branch) Don State Technical University; e-mail: sashaag@mail.ru; 147, Shevchenko, Shakhty, 346500, Russia, phone: +79185056136; the department information systems and radio engineering; postgraduate student.
Prokopenko Nikolay Nikolaevich - e-mail: prokopenko@sssu.ru; phone: +79185182266; the department information systems and radio engineering; dr. of eng. sc.; professor.
Butyrlagin Nikolay Vladimirivich - e-mail: nbutyrlagin@mail.ru; phone: +79034320799; the department information systems and radio engineering; postgraduate student.
УДК 621.372
Н.В. Гудкова, Е.А. Жебрун
ПРЕЦИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО ПОДАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПОМЕХ В РЕЧЕВЫХ СИГНАЛАХ
В контексте задач цифровой обработки сигналов рассмотрены принципы адаптивной очистки речевых сигналов от периодического зашумления. Приведены примеры алгоритмов фильтрации помехи с источником эталонного сигнала и без источника. Рассмотрены их особенности. Предлагается новый подход, призванный повысить качество фильтрации речевых сигналов от аддитивной периодической помехи на длительном интервале времени для случая, когда нет источника эталонного сигнала помехи. На базе этого подхода разработано одноканальное устройство адаптивной фильтрации, которое имеет ряд преимуществ в сравнении с существующими на сегодняшний день решениями. За счёт особенностей структуры устройства достигается увеличение производительности при практически полном сохранении качества исходного речевого сигнала. Алгоритм адаптации использует математический аппарат оптимальной фильтрации по методу наименьших квадратов (ЕМБ). Система включает в себя адаптивный трансверсальный фильтр, анализатор спектра и блок узкополосных адаптивных режекторных фильтров, которые способны без искажений подавлять узкую полосу сигнала на заданной частоте с минимальными затратами вычислительных ресурсов. Анализатор спектра использует быстрое преобразование Фурье.
Цифровая обработка сигналов (ЦОС); адаптивная фильтрация; периодическая помеха; быстрое преобразование Фурье (БПФ).
