Научная статья на тему 'Двухканальный инструментальный усилитель с минимальным дрейфом нуля'

Двухканальный инструментальный усилитель с минимальным дрейфом нуля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
576
112
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ / МИНИМАЛЬНЫЙ ДРЕЙФ НУЛЯ / КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА / THE INSTRUMENTATION AMPLIFIER / THE MINIMUM DRIFT OF ZERO / COMMON-MODE REJECTION RATIO

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

Рассматриваются результаты проектирования структурно оптимальной принципиальной схемы двухканального инструментального усилителя. Показано, что использование мультидифференциальных операционных усилителей позволяет минимизировать дрейф нуля инструментального усилителя и влияние резистивных элементов на коэффициент ослабления синфазного сигнала при заданном дифференциальном коэффициенте усиления. Приводятся результаты моделирования принципиальной схемы в среде PSpice, реализованной на базе компонентов 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 INSTRUMENTATION AMPLIFIER WITH MINIMUM DRIFT OF ZERO

Results of designing of structurally optimum circuit of the two-channel instrumentation amplifier are considered. It is shown that use of multidifferential operational amplifiers allows to minimize drift of zero of the instrumentation amplifier and influence of resistive elements on commonmode rejection ratio at the set differential gain coefficient. Results of modeling of the circuit in the environment of PSpice, realized on the basis of components immune to radiation ABMC are resulted.

Текст научной работы на тему «Двухканальный инструментальный усилитель с минимальным дрейфом нуля»

порядка. Из анализа формул (2) и (6) следует, что на единицу порядка ФНЧ или ФВЧ для данного метода приходится 1 синус или косинус, 8 сложений, 12 умножений и 0,5 делений. Для фильтра порядка п эти значения умножаются на п.

Заключение. Таким образом, данная методика позволяет достаточно просто синтезировать управляемые цифровые фильтры.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры: расчет и реализация. - М.: Мир, 1982. - 452 с.

2. Турулин И.И. Управляемые цифровые фильтры. Технолог. ин-тут. Южн. федерал. ун-

, , 2009. - 260 . - . 22 . - . . 18.06.09.

№ 383-В2009.

Статью рекомендовал к опубликованию к.т.н. АЛ. Долгов.

Турулин Игорь Ильич

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

E-mail: turulin59@gmail.com.

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

Тел.: 88634371638.

Кафедра автоматизированных систем научных исследований и экспериментов; профессор.

Булгакова Юлия Ивановна

E-mail: sunshine_yu@mail.ru.

Тел.: 88634673641.

.

Turulin Igor' Il'ich

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

E-mail: turulin59@gmail.com.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: +78634371638.

The Department of Automated Research Systems; Professor.

Bulgakova Uyliya Ivanovna

E-mail: sunshine_yu@mail.ru.

Phone: +78634673641.

Postgraduate Student.

УДК 621.372

А.Е. Титов

ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МИНИМАЛЬНЫМ ДРЕЙФОМ НУЛЯ

Рассматриваются результаты проектирования структурно оптимальной принципиальной схемы двухканального инструментального усилителя. Показано, что использование мультидифференциальных операционных усилителей позволяет минимизировать дрейф нуля инструментального усилителя и влияние резистивных элементов на коэффициент ослабления синфазного сигнала при заданном дифференциальном коэффициенте усиления. Приводятся результаты моделирования принципиальной схемы в среде РБркв, реализованной на базе компонентов радиационно стойкого АБМК.

Инструментальный усилитель; минимальный дрейф нуля; коэффициент ослабления .

A.E. Titov

TWO-CHANNEL INSTRUMENTATION AMPLIFIER WITH MINIMUM

DRIFT OF ZERO

Results of designing of structurally optimum circuit of the two-channel instrumentation amplifier are considered. It is shown that use of multidifferential operational amplifiers allows to minimize drift of zero of the instrumentation amplifier and influence of resistive elements on common-mode rejection ratio at the set differential gain coefficient. Results of modeling of the circuit in the environment of PSpice, realized on the basis of components immune to radiation ABMC are resulted.

The instrumentation amplifier; the minimum drift of zero; common-mode rejection ratio.

Введение. 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 , . 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 ( ) ( ).

коэффициента на уровне - 60 дБ и дрейфа нуля не хуже 100 мкВ необходимо использовать технологическую “подгонку” этих резисторов [1]. Поэтому поиск альтернативных вариантов решения этой задачи приобретает важное практическое .

Анализ классической структуры инструментального усилителя. Для аналого-цифровых интерфейсов с высокорязрядными АЦП, кроме высокого коэффициента ослабления синфазного сигнала, необходимо, чтобы инструментальный усилитель также обладал низким напряжением дрейфа нуля, но классическая реализация ИУ характеризуется существенным дрейфом нуля на выходе. Структурно минимизировать дрейф нуля ИУ можно, используя схему инструментального усилителя с двухканальным сумматором (рис. 1).

я

А

Q

R

R

Рис. 1. Низкодрейфовый инструментальный усилитель

Анализ схемы усилителя приводит к следующим результатам:

(l)

Раздел II. Сложнофункциональные блоки смещенных систем на кристалле

(2)

(3)

где Ксс- коэффициент передачи синфазного сигнала ОУ3, ц- статический коэф-, А,п ДЯ Аг

фициент усиления ОУ3, ----- и — - относительная погрешность сопротивления

Я г

резисторов, ^ и f1 - граничная частота инструментального усилителя и частота единичного усиления ОУ1 и ОУ2, идр1 - величина дрейфа нуля ьго усилителя.

Таким образом, как видно из уравнения (3), при идентичности ОУ дрейф нуля схемы параметрически минимизируется. Действительно, при Кд >> 1 и точной реализации резистивных элементов:

где Бсм2 - ЭДС смещения ьго операционного усилителя, асм; - коэффициент температурного дрейфа ьго усилителя, - приращение температуры.

Поэтому предельно низкий дрейф нуля инструментального усилителя обеспечивается за счет идентичности пар ОУ и точной реализации резистивных элементов в сумматорах ИУ, именно поэтому для обеспечения минимального значения дрейфа нуля усилителя необходимо использовать дорогостоящую функциональную настройку резистивных элементов в схеме.

В данной работе представлен альтернативный вариант инструментального , -ских решений, основанных на введении дополнительных обратных связей [2], создан относительно новый класс активных элементов - мультидифференциальных ОУ (МОУ) [3], что и позволяет исключить резистивные элементы из сумматоров ИУ.

Реализация двухканального инструментального усилителя. Если в структуре низкодрейфового классического инструментального усилителя сумматор реа, . 2,

то такая схема будет характеризоваться низким значением дрейфа нуля, практически не зависящим от изменения резистивных элементов схемы. Это утверждение подтверждается следующим выражением:

Таким образом, как видно из уравнения (8), при идентичности активных элементов дрейф нуля схемы параметрически минимизируется. Действительно,

иДр = идроиі2 идр0и11,

(5)

где

идр0ии - идрМОуі идр0уі + идр0У2,

(6)

идр0и2 - идрМОУ2 идр0У2 + идр0У1,

(7)

тогда

дрМОУ2 идрМОУ1.

(8)

'СМ.МОУ2

Е,

'смМОУ!

+ (а

) .

(9)

Рис. 2. Инструментальный усилитель с минимальным дрейфом нуля

Поэтому предельно низкий дрейф нуля двухканального инструментального усилителя обеспечится за счет идентичности МОУ и не зависит от соотношения резистивных элементов в схеме.

Такой ИУ обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала, который, как будет показано ниже, слабо зависит от резистивных элементов схемы, при реализации необходимого дифференциального коэффициента усиления.

Если ОУ и МОУ реализовать на компонентах радиационно-стойкого аналогового базового матричного кристалла АБМК [4], то анализируемый ИУ будет характеризоваться высокой радиационной стойкостью при сохранении относительно высоких качественных показателей.

Область применения инструментального усилителя ограничивается необходимостью использования его с устройствами, имеющими так называемую виртуальную “землю”. К ним относятся устройство выборки хранения (УВХ) и интегра, .

Результаты моделирования схемы, реализованной на АБМК, в среде РБрюе представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры двухканального инструментального усилителя

'''\Г1араметр Ксн і •/ гр_сн Цгр _сн Цр - К і ■> Ф_Д Цр

Схема'''\ дБ МГц в мВ дБ МГц мкВ

рис. 2 -234 1,88 -40^ 5 -50^^ ^^^50 15,43 1,88 > 102

Примечание: Ксн - коэффициент ослабления синфазного сигнала, / ш -граничная частота коэффициента ослабления синфазного сигнала, Цр ш и и

-

соответственно, Кд - дифференциальный коэффициент усиления, / д - граничная частота дифференциального коэффициента усиления, Ц - дрейф нуля

инструментального усилителя, шина питания + 5 В, потребляемый ток 10 мА.

Двухканальный инструментальный усилитель, как следует из табл. 1, обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала и низким значением . -ного коэффициента усиления. Эта погрешность обусловлена изменением сопро-

тивлений резисторов схемы и основных параметров ОУ. Действительно, для дифференциального коэффициента усиления справедливо соотношение

R

, Кди = 2(1 + 2-),

(10)

где Кди- идеальный дифференциальный коэффициент передачи инструментального усилителя, П = 2я ^ - площадь усиления ОУ.

Тогда чувствительность дифференциального коэффициента передачи к параметрам ОУ определится следующими соотношениями:

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

SKil = Kf , SK =-— f1

l

(12)

где № - диапазон рабочих частот ИУ, а чувствительность дифференциального коэффициента усиления к изменению пассивных элементов схемы равна

е—;, о—;и _ _оКд _ „Кд,

SR SR = Sr = Sr

1.

(13)

,

коэффициента передачи определяется относительными погрешностями изменения резистивных элементов схемы (Ок) и относительными погрешностями параметров усилителя (0, ,0 ). Введем 5 = Кда/ц < 0,1, тогда максимальное значение дифференциального коэффициента усиления Кдши <5ц, К„тат <§ определяется равенством вкладов пассивных и активных элементов. Так, для технологии АБМК можно считать, что 0Ц = 0, = 10 • 0к, поэтому 5 < 0,1. Результаты моделирования рассмотренной схемы приведены в табл. 2.

Таблица 2

Дифференциальный коэффициент усиления двухканального ИУ

г, Ом Кд Кди s,% Urp+, мВ -, s U идр, мкВ Кен, ДБ frp, кГц

S0 450 500 10 +50 -50 > 102 -199 22l

134 22S 300 l,3 +50 -50 > 102 -205 390

40S 9l 100 3,5 +50 -50 > 102 -205 1400

S33 49 50 2,4 +50 -100 > 102 -205 3000

Исследование влияния радиационного воздействия на качественные показатели инструментального усилителя с указанными в табл. 1 параметрами проводилось с помощью метода Monte Carlo в среде PSpice (табл. 3 и рис. 3).

Таблица 3

Изменение параметров двухканального ИУ в условиях радиационного

воздействия

''^Параметр ксн f _ U Гр _сн f J гр _д f чх

Схема\^ ДБ Гц в мВ ДБ МГц МГц

рис. 2 -133^ ^^1!0 40 15>^ ^^4,5 2 2

ll

Рис. 3. Дрейф нуля инструментального усилителя при изменении сопротивлений

резисторов схемы

Таким образом, как видно из приведенных выше результатов, разработанный двухканальный инструментальный усилитель обладает высокими качественными ,

дрейф нуля (< ± 9 мкВ), которые практически не зависят от изменения сопротивлений резистивных элементов схемы.

Как показал детальный анализ, указанное в табл. 3 изменение параметров инструментального усилителя связано с погрешностью сопротивлений резисторов во входных дифференциальных каскадах МОУ и ОУ, поэтому дальнейшее совершенствование схемы ИУ возможно путем изменения способов задания режимов работы в каскадах ОУ и МОУ и созданием специальных источников тока.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Титов АЖ. Двухканальные прецизионные инструментальные усилители для радиационностойких систем на кристалле // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - № 1 (102).

- С. 64-70.

2. Крутчинский СГ., Нефедова АЖ. Структурная оптимизация дифференциальных каскадов // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 7 (84). - С. 41-48.

3. Крутчинский СТ. Старченко ЕЖ. Мультидифференциальные операционные усилители и прецизионная микросхемотехника // Сборник трудов МНПС “Проблемы современной аналоговой микросистемотехиники”. - 2003. - С. 125-137.

4. . ., . . -

функциональными возможностями // Chip News. - 1999. - № 2. - С. 21-24.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор СТ. Крутчинский.

Титов Алексей Евгеньевич

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

E-mail: alehan_26rus@mail.ru.

347928, г. Таганрог, Некрасовский, 44.

Тел.: 88634371773.

Кафедра систем автоматического управления; аспирант.

Titov Alexey Evgen’evich

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

E-mail: alehan_26rus@mail.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: +78634371773.

Department of Automatic Control Systems; Postgraduate Student.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.