Научная статья на тему 'Двухканальные прецизионные инструментальные усилители для радиационно стойких систем на кристалле'

Двухканальные прецизионные инструментальные усилители для радиационно стойких систем на кристалле Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
361
46
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ (СНК) / ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ИУ) / КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА (КСН) / SYSTEM ON CHIP (SOC) / TOOL AMPLIFIERS (TA) / FACTOR OF TRANSFER OF AN INPHASE SIGNAL

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Титов Алексей Евгеньевич

Рассматриваются результаты проектирования структурно-оптимальных принципиальных схем инструментальных усилителей с низким коэффициентом передачи синфазного напряжения. Показано, что использование в их структурах мультидифференциальных операционных усилителей позволяет минимизировать влияние резистивных элементов на коэффициент передачи синфазного сигнала при реализации необходимого дифференциального коэффициента усиления. Приводятся результаты моделирования набора принципиальных схем, реализованных на компонентах радиационно стойкого АБМК.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Титов Алексей Евгеньевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TWO-CHANNEL PRECISION TOOL AMPLIFIERS FOR RADIATSIONNO-PROOF SYSTEM ON CHIP

Results of designing of structurally optimum basic schemes of tool amplifiers with low factor of transfer of inphase pressure are considered. It is shown that use in their structures of multidifferential operational amplifiers allows to minimise influence of resistive elements on factor of transfer of an inphase signal at realisation of necessary differential factor of strengthening. Results of modelling of a set of the basic schemes realised on components of a radiating-proof ABMC are re sulted.

Текст научной работы на тему «Двухканальные прецизионные инструментальные усилители для радиационно стойких систем на кристалле»

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Крутчинекий СТ. Смешанные системы на кристалле для систем автоматического управления и технической диагностики // Сб. трудов МЭС-06, 2006. - С. 217-222..

2. Крутчинский СТ. Аналого-цифровые интерфейсы микроконтроллерных адаптивных регуляторов циклического типа для объектов электроэнергетики // Известия РАН "Автоматика и телемеханика". - 2006. - № 5. - C. 163-174.

3. Крутчинский СТ., Старченко ЕМ. Мультидифференциальпые операционные усилители и прецизионная микросхемотехника. Международный научно-технический журнал "Электроника и связь". - 2004. - № 20. - С. 37-45.

Цыбин Михаил Сергеевич

Технологический институт федерального государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный

университет» в г. Таганроге.

E-mail: mc_tsibin@gmail.com.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: 88634311310.

Tsibin Mixail Sergeevich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of

Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: mc_tsibin@gmail.com.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 88634311310.

УДК 621.372

A.E. Титов

ДВУХКАНАЛЬНЫЕ ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ДЛЯ РАДИАЦИОННО СТОЙКИХ СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ

Рассматриваются результаты проектирования структурно-оптимальных принципиальных схем инструментальных усилителей с низким коэффициентом передачи синфазного напряжения. Показано, что использование в их структурах мультидифференциаль-ных операционных усилителей позволяет минимизировать влияние резистивных элементов на коэффициент передачи синфазного сигнала при реализации необходимого дифференциального коэффициента усиления. Приводятся результаты моделирования набора принци, .

Системы на кристалле (СнК); инструментальные усилители (ИУ); коэффициент передачи синфазного сигнала (Кен).

A.E. Titov

TWO-CHANNEL PRECISION TOOL AMPLIFIERS FOR RADIATSIONNO-PROOF SYSTEM ON CHIP

Results of designing of structurally optimum basic schemes of tool amplifiers with low factor of transfer of inphase pressure are considered. It is shown that use in their structures of multidifferential operational amplifiers allows to minimise influence of resistive elements on factor of transfer of an inphase signal at realisation of necessary differential factor of strengthening. Results of modelling of a set of the basic schemes realised on components of a radiating-proof ABMC are re sulted.

System on chip (SoC); tool amplifiers (TA); factor of transfer of an inphase signal.

б4

Создание смешанных систем на кристалле (СнК) связано в первую очередь с построением аналоговых интерфейсов, обеспечивающих связь системы с первичными преобразователями (чувствительными элементами). Такие интерфейсы должны обеспечивать прецизионное выделение дифференциальных сигналов этих преобразователей, их масштабирование и ограничение спектра. Достаточно большой динамический диапазон измеряемых величин и относительно высокая точность преобразования предопределили использование в таких интерфейсах прецизионных операционных усилителей (ОУ) и резисторов, которые в конечном итоге и определят предельный коэффициент ослабления синфазного напряжения. Кроме того, потребляемый ток СнК в основном определяется энергопотреблением аналоговой части и в ряде случаев приводит к необходимости использовать двух- или трехкристальный вариант построения системы в целом. Поэтому поиск альтернативных вариантов решения этой задачи приобретает важное практическое значение.

Создание аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов смешанных СнК, ориентированных на взаимодействие с чувствительными элементами РЭА мосто-

( ),

выполняющих функции подавления синфазного сигнала (и ) и усиление дифференциального напряжения (и ). Как правило, такой ИУ реализуется на базе клас, -ных резисторов (рис. 1).

Рис. 1. Классический инструментальный усилитель

Анализ принципиальных схем показывает, что даже при использовании строго идентичных ОУ предельное значение коэффициента ослабления синфазного сигнала определяются соотношением

К — К К*

к = ^=-К-(1+К)-К = 3 4 К. (1)

и1 К3 + К4 к2 к2 К3 + К4

Влияние этих пассивных элементов на коэффициент ослабления синфазного

сигнала определяется функцией чувствительности

АК /

= /К, , (2)

К АК/

где ь—У = 0 - погрешность сопротивления резисторов схемы.

/ — ‘

Можно показать, что в этом случае реальное значение коэффициента ослабления синфазного сигнала определится суммой

К = К0 + ЯК:кс110—2 + 5,:;к,<Э*3 + ЯК:кс110—4, (3)

тогда при равенстве погрешностей резистивных элементов 0„ получим

К = (КДК“ )2 0— = 0—^ (КДК“ )2, (4)

поэтому при —1 = — = —3 = —4 = я

Ксир=АКси=0*. (5)

Из приведенного соотношения видно, что коэффициент ослабления синфазного сигнала Кен прямопропорционально зависит от погрешности сопротивления резисторов схемы 0— . Так, для прецизионных технологий (0— =0,1%), — —

Кси = -54д£, что явно недостаточно для построения даже непрецизионных датчиков. Именно поэтому при производстве соответствующих СФ-блоков СнК в вариантах 81Р, 8оР используется специальная функциональная настройка, направленная на достижение требуемых качественных показателей (Кси < -75дБ).

Можно достаточно строго показать, что предельное значение Кен рассматри-

1 2. ,

синфазное напряжение на выходах этих активных элементов определяются сле-

дующими соотношениями:

= (, + (1 + *1 + ^2) + (1 + к1)К-)^ ; (6)

“'1 к к

2 1

и = (1 + (1 + *1 + *2) + (1 + *2К2 )и , (7)

и'2 ^ * *2 ’ “

где * = —; *2 = —. г г

,

синфазного сигнала от резистивных элементов цепи обратной связи ИУ необходимо увеличивать коэффициент ослабления синфазного сигнала во входном дифференциальном каскаде операционных усилителей, входящих в состав ИУ.

Для решения указанной выше проблемы, с помощью эффективных схемотех-

,

обратных связей [1], построен ряд принципиально новых инструментальных уси,

зависит от резистивных элементов.

Главное отличие инструментального усилителя (ИУ), реализованного на од-

( ),

( . 2).

( ) , -

,

практически в три раза меньше, чем в классической реализации. Созданная и испытанная схема МОУ ориентирована на компоненты радиационно стойкого АБМК [2]. Главное достоинство такого усилителя заключается в независимости его коэффициента ослабления синфазного сигнала от соотношения резистивных элементов .

коэффициенту усилителя (Кд).

R

Рис. 2. Инструментальный усилитель на одном МОУ

Результаты моделирования приведенной схемы в среде PSpice сведены в табл. 1.

Таблица 1

Здесь Ксн - коэффициент ослабления синфазного сигнала, / сн - граничная частота Ксн, Кд - дифференциальный коэффициент усиления, / - граничная частота Кд, Urp ш и и ж - граничные напряжения при подаче синфазного и дифференциального коэффициента соответственно, Udp - дрейф нуля инструментального усилителя, Еп и е - напряжения шины питания усилителя, I1 и I2 - потребляемые токи.

,

аналогов типа INA фирмы Texas Instruments, состоящих из трех ОУ.

Используя полученные свойства, инструментального усилителя показывают, что его можно использовать в режиме вычитателя в двухканальной схеме (рис. 1). В этом случае приведенная на рис. 3 схема будет, как это следует из соотношения (4), характеризоваться более низким значением Ксп. Следовательно, достоинством

данного ИУ является глубокое ослабление синфазного напряжения при большом дифференциальном коэффициенте усиления.

Рис. 3. Инструментальный усилитель на двух ОУ и одном МОУ

Результаты моделирования принципиальной схемы инструментального усилителя на базе компонентов АБМК приведены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры инструментального одноканального усилителя с активным

сумматором

НМжм схема\ Ксн /■ ■/ гр_сн ^гр_сн ^гр вх К / ■/ гр Е 2 12

дБ кГц в мВ дБ МГц мкВ в мА в мА

* Рис.3 -104 8,4 -1,15 / /4,1 -460 /4бо 9,4 6,5 -264 -5 5,9 5 6,5

* - реализация инструментального усилителя с дополнительно введенными во входной каскад компенсирующими обратными связями

Высокое значение коэффициента ослабления синфазного напряжения (104 дБ) объясняется тем, что МОУ используется в режиме повторителя (К =1) и его КСИ определяется только свойствами входных дифференциальных каскадов.

Для определения предельного значения дифференциального коэффициента передачи необходимо учитывать допустимую погрешность его реализации и гра,

К

(8)

где Ц - статический коэффициент передачи операционного усилителя; Я и г - сопротивления в цепи обратной связи. Причем

п

Кд = (1 + 2—).

г

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(9)

Именно в силу указанных свойств, коэффициент усиления данного ИУ может превышать аналогичный параметр устройства на одном МОУ.

При условии 8< 12% разработанный инструментальный усилитель имеет максимальное значение К превышающее 8000. Результаты моделирования схе-

мы при различной глубине обратной связи в =

(г + п)

приведены в табл. 3.

г

Таблица 3

Влияние дифференциального коэффициента усиления на основные

параметры ИУ

г, Ом Кд S,% Urp+, мВ Up-, мВ UflP, мкВ frp, кГц Ксн, дБ

2 S722 12 1G -1G 264 5,35 -1G4

1G 1919 4 1G -1G 264 2G,5 -1G4

1GG 197,14 1,9 1G -1G 264 16S -1G4

5GG 4G,3 1,7 3G -3G 264 669 -1G4

1GGG 2G,65 1,67 6G -6G 264 935 -1G4

5GGG 4,917 1,66 2SG -2SG 264 19GG -1G4

1GGGG 2,951 1,63 46G -46G 264 24GG -1G4

Полученные результаты показывают, что двухканальный ИУ (рис. 3) имеет независимые (кроме граничной частоты полосы пропускания (f )) от дифференциального коэффициента усиления основные метрологические характеристики. Его качественные показатели значительно превосходят аналогичные параметры функциональных аналогов фирм Texas Instruments, Analog Devises, Maxsim и позволяет создавать принципиально новые аналоговые интерфейсы и интеллек-. ,

тонкопленочных микросенсоров в современной датчиковой аппаратуре связано с созданием инструментальных усилителей с Кд = 500 при Ксн = - 80 дБ. Из табл. 3 , -

.

Полученные результаты показывают, что использование в схемотехнике мультидифференциальных операционных усилителей, а также компенсирующих контуров обратной связи в структуре входных дифференциальных каскадов ОУ [1] позволяет существенно уменьшить параметрическую чувствительность принципиальных схем инструментальных усилителей. Именно это свойство обеспечивает высокое ослабление синфазного напряжения и низкий дрейф нуля при воздействии различных дестабилизирующих факторов, включая и радиационное воздействие. Настоящая особенность позволяет также минимизировать число прецизионных резисторов. Так, в схеме энергоэкономичного ИУ (рис. 2) достаточно иметь два резистора с прецизионным отношением их сопротивлений, которое определяет реализуемый дифференциальный коэффициент усиления. В случае высоких требований к этой величине (сотни и тысячи единиц) целесообразно использовать предложенную схему двухканального ИУ (рис. 3), где аналогичные свойства обеспечиваются тремя резисторами с прецизионным отношением.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Крутчинский СТ., Нефедова А.В. Структурная оптимизация дифференциальных каскадов // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 7 (84). - С. 41-48.

2. .. .. -функциональными возможностями // Chip News. - 1999. - № 2. - С. 21-23.

3. . . // ,

Ростов-на-Дону, 2001. - С. 70-78.

Титов Алексей Евгеньевич

Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: alehan_26rus@mail.ru.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: 89083258946.

Titov Alexey Evgen’evich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: alehan_26rus@mail.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 89083258946.

УДК 621.317

ЕЛ. Старченко АРХИТЕКТУРА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ С НУЛЕВЫМ ВЫХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Рассматриваются вопросы проектирования интегральных стабилизаторов , -ценных для изготовления в составе микроэлектронных устройств «система-на-кристалле».

Стабилизатор; нулевой выход.

E.I. Starchenko INTEGATED VOLTAGE REGLATOR WITH ZERO OUTPUT IMPEDANCE ARCHITECTURE

Integral voltage regulators, having tended to a zero output impedance circuit techniques, oriented for integration in the system-on-crystal are considered.

Stabilized; zero output.

. , -

няются по принципу импульсного преобразования энергии, зачастую только стабилизатор напряжения (СН) непрерывного типа может обеспечить электроэнергией необходимого качества узлы и блоки информационно-измерительных и управ, « ». -зирующими факторами в СН могут быть нестабильность первичного источника , , , -. -жет решить многие проблемы повышения стабильности выходного напряжения, но увеличение глубины обратной связи порождает массу других проблем - обеспечение устойчивости, требуемой динамической стабильности и других [1]. Эффективным методом повышения точностных показателей СН становится формирование дополнительных каналов параметрической компенсации, в частности выходного сопротивления [2].

Классическая архитектура СН, содержащая в своем составе различным образом выполненные датчики тока нагрузки, приведена на рис. 1. Отметим, что чаще всего датчик тока нагрузки органично входит в состав структуры как элемент цепи защиты от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. В то же время наличие информации о токе нагрузки позволяет определенным образом воздейство-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.