CC BY
84
4
Научно-технические ведомости СПбГПУ 3' 2010
обеспечивает существенное снижение статической ошибки усиления сигналов постоянного тока ОУ и может использоваться в схемах различных 1Р-модулей современных систем на кристалле.
Статья подготовлена в рамках госконтракта П507 от 05.08.2009 г. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент US 4.415.868, fig.3. Current U.S. Class: 330/294 ; 330/107 One and one half pole audio power amplifier frequency compensation / Gross; William H.: Assignee National Semiconductor Corporation (Santa Clara, CA). -Nov. 15, 1983.
2. Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография [Текст] / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.
3. Полонников, Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника: монография [Текст] / Д.Е.Полонников. -М., 1983.-216 с.
4. Дифференциальный операционный усилитель: заявка на патент РФ, МПК8 H 03 F 3/45, 3/34 [Текст] / Н.Н. Прокопенко, Д.С. Федяшов, А.И. Серебряков. -№ 2009133746/09; заявл. 08.09.2009 (242).
УДК 621.372
С.Г. Крутчинский, А.Е. Титов
МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫИ ОПЕРАЦИОННЫМ УСИЛИТЕЛЬ В РЕЖИМЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ
Создание аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов смешанных систем на кристалле (СнК), ориентированных на взаимодействие с чувствительными элементами мостового типа всегда предполагает применение инструментальных усилителей (ИУ), выполняющих функции подавления синфазного сигнала и усиление дифференциального напряжения. Как правило, такой ИУ реализуется на базе классической схемы, состоящей из трех операционных усилителей и семи прецизионных резисторов. Поэтому даже при использовании строго идентичных операционных усилителей (ОУ) предельное значение коэффициента ослабления синфазного сигнала определяется точностью реализации резистивных элементов. Так, для прецизионных технологий (0К = 0,01 % дБ) Коссн = -54 дБ, что явно недостаточно для построения даже непрецизионных датчиков. При производстве соответствующих сложно-функциональных (СФ) блоков СнК в вариантах система в корпусе ^Р) и система на подложке ^оР) применяется специальная функциональная настройка, направленная на достижение требуе-
мых качественных показателей (К = -54 дБ).
оссн
Кроме того, потребляемая мощность таких ИУ достаточно велика, что препятствует использованию в этих системах.
В связи с этим поиск альтернативных вариантов решения аналогичной задачи для смешанных СнК в любом из вариантов их технологической реализации приобретает важное практическое значение.
Для решения данной проблемы с помощью эффективных схемотехнических решений, основанных на введении дополнительных функциональных обратных связей, направленных на минимизацию Ксн [1], создан относительно новый класс активных элементов - мультидифференци-альных ОУ (МОУ), - которые и могут стать основой схемотехники таких ИУ. Следует отметить, что коэффициент ослабления синфазного сигнала разработанных МОУ практически не зависит от точности реализации резистивных элементов.
Структура и условное обозначение МОУ показаны на рис. 1. Этот активный элемент состоит из двух дифференциальных (ДК), одного проме-
Таблица 1
Параметры МОУ
^ч Пара-\\метры Схема n. тг оссн fгр_сн ^гр_сн И fi ^см h Еп1 h
дБ кГц В в дБ МГц мкВ В мА В мА
МОУ -104 8,3 -4 X 5 -и/ /1,2 50 5 0,26 -5 2,8 5 4,5
жуточного (ПК) и одного выходного (ВК) каскадов. Результаты моделирования созданного на базе радиационно-стойкого аналогового базового матричного кристалла (АБМК) [2] МОУ в среде PSpice представлены в табл. 1.
Здесь Коссн - коэффициент ослабления синфазного сигнала; ( - граничная частота К ;
т ' гр сн г оссн'
и и и - граничные напряжения при подаче
гр_сн гр_д г г г
синфазного и дифференциального сигналов; ц -статический коэффициент передачи усилителя; /1 - частота единичного усиления; Есм - ЭДС смещения; Е и Еп2 - напряжения шины питания; 11 и 12 - потребляемые токи.
Для построения инструментального усилителя на базе МОУ достаточно ввести глубокую отрицательную обратную связь (рис. 2), поэтому устройство (в отличие от классического аналога) будет характеризоваться небольшим потребляемым током. Предельное значение коэффициента передачи синфазного напряжения
K = K
K
(1)
в таком ИУ определяется реализуемым коэффициентом усиления:
к = 1 + R
д r
(2)
Напряжение дрейфа нуля ИУ (и ) здесь также прямопропорционально реализуемому дифференциальному коэффициенту усиления:
U = Е
др CI
K.
д
(3)
Эта взаимосвязь параметров и определяет область применения предлагаемого инструментального усилителя. Действительно, в классической схеме влияние дифференциального коэффициента усиления на U и K значительно меньше. Однако
др сн
наличие в структуре ДК1 компенсирующих обратных связей предварительно обеспечивает глубокое ослабление синфазного напряжения, а взаимосвязь режимов работы динамических нагрузок в структуре МОУ [3] позволяют обеспечить низкое значение Есм (табл. 1). Указанные особенности схемотехники МОУ позволяют увеличить достижимый дифференциальный коэффициент усиления при сохранении относительно высоких требований к K и U .
сн др
Результаты моделирования инструментального усилителя при различных значениях дифференциального коэффициента усиления в среде PSpice представлены в табл. 2.
Здесь ^рд - граничная частота дифференциального коэффициента усиления; & - скорость нарастания выходного напряжения.
Указаны наихудшие значения полученных параметров ИУ с учетом исследования схемы методом Monte Carlo, принимая во внимание, что погрешность реализации полупроводниковых резисторов находится в пределах 1,5 % в условиях радиационного воздействия.
Для определения влияния структуры инструментального усилителя при различном дифференциальном коэффициенте передачи на величи-
Рис. 1. Структура и условное обозначение МОУ
Рис. 2. Инструментальный усилитель на одном МОУ
сн
оссн
д
^ Научно-технические ведомости СПбГПУ 3' 2010
Таблица 2
Параметры ИУ
оссн ^тр_сн ^гр_сн К* fгр_ц £„1 ¡2 ■а
дБ кГц В В МГц В мА В мА В/мкс
-98 8,4 /5 -1У /1,4 2 3 -5 2,8 5 4,5 17 / /-2,5
-91 8,3 -3,8/ /4,9 -оу Х.2 5 0,76 -5 2,8 5 4,5 17 / /2,5
-84 8,3 -3,8/ Хв -оУ /0>5 10 0,26 -5 2,8 5 4,5 17 / /-2,5
-75 8,3 -3,8/ Хв -о л/ /0,2 27 од -5 2,8 5 4,5 17 / /-2,5
Рис. 3. Дрейф нуля инструментального усилителя: а - при Кд = 2 (235 - 245 нВ); б - при Кд = 5 (232 - 245 нВ); в - при Кд = 10 (0,97 - 1,03 мкВ);
г - при Кд = 27 (2,5 - 2,65 мкВ)
Рис. 4. Инициализируемый позиционным кодом a.(i = 1,n ) ИУ
ну дрейфа нуля, проведено исследование схемы методом Monte Carlo. Результаты моделирования в среде PSpice представленные на рис. 3, показывают, что дрейф нуля ИУ при изменении его дифференциального коэффициента усиления сохраняет свое относительно низкое значение.
Например, в случае применения такого ИУ в микроконтроллерных системах с 12-разрядным аналого-цифровым преобразователем с опорным напряжением 2,5 В, указанная величина значительно меньше погрешности метода.
Одним из важных преимуществ анализируемого ИУ является возможность цифрового управления его дифференциальным коэффициентом усиления (рис. 4) посредством высокотехнологичной матрицы R-2R, что обеспечивает его интеграцию в традиционные порты ввода/вывода СнК При этом, в отличие от традиционных подходов, здесь неоходимо использовать резистив-ные матрицы R-2R в режиме масштабирования тока (рис. 5) [4].
Реализуемый дифференциальный коэффициент усиления определяется соотношением:
к, -
-а.
(4)
¡=1
Рис. 5. Лестничная резистивная схема
в режиме масштабирования тока
Другие параметры схемы сохраняются и определяются соотношениями (1), (3).
Таким образом, полученная схема может быть использована при создании достаточно распространенных датчиков мостового типа вместо традиционных ИУ на трех ОУ, а также в энергоэкономичных портах ввода аналоговых сигналов современных смешанных СнК.
Результаты проектирования инструментального усилителя показывают, что обеспечение его высоких качественных показателей не связано с использованием прецизионных резисторов. Точность резисторов обусловливает только погрешность реализации дифференциального коэффициента усиления и слабо влияет на глубину ослабления синфазного напряжения и дрейф нуля. Именно это свойство предложенных схем позволяет существенно ослабить требования к технологии их изготовления. Кроме этого, использование техники радиационно-стойкого АБМК для реализации специализированных интегральных схем с такими инструментальными усилителями позволяет создать целый класс датчиков, обеспечивающих измерение параметров в условиях спецвоздействий.
Статья подготовлена в рамках госконтракта № П507 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крутчинский, С.Г. Структурная оптимизация дифференциальных каскадов [Текст]/С.Г. Крутчинский, А.В. Нефедова//Изв. ЮФУ. Сер. Технические науки. -2008.-№ 7.-С. 41-48.
2. Дворников, О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями [Текст]/О.В. Дворников, В.А. Чеховский/Chip News. -1999.-№ 2.-С. 21-23.
3. Прокопенко, Н.Н. Оптимизация статических режимов в биполярных ИС [Текст]/Н.Н. Прокопенко//МЭС-2010: Сб. тр.-М., 2010.
4. Крутчинский, С.Г. Структурный синтез аналоговых электронных схем [Текст]/С.Г. Крутчинский // СКНЦ ВШ.-Ростов-на-Дону, 2001.-С. 34-51.
