Прецизионные аналоговые интерфейсы на базе двух мультидифференциальных операционных усилителей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Прецизионные аналоговые интерфейсы на базе двух мультидифференциальных операционных усилителей

С.Г. Крутчинский, А.Е. Титов, А.И. Серебряков, А.И. Гавлицкий, Е.А. Семенищев, И.В. Пахомов

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. Именно поэтому даже при использовании строго идентичных операционных усилителей (ОУ) минимальное значение коэффициента передачи синфазного напряжения определяется точностью реализации резистивных элементов. Так, для прецизионных технологий (©к = 0.01%дБ) Ксн =-31 дБ, что явно

недостаточно для построения даже непрецизионных датчиков. Именно поэтому при производстве соответствующих сложно-функциональных (СФ) блоков СнК в вариантах система в корпусе (Б1Р) и система на подложке (ЗоР) используется специальная функциональная настройка, направленная на достижение требуемых качественных показателей (Ксн =-54дБ). Кроме

этого, потребляемая мощность таких ИУ достаточно велика.

Именно поэтому поиск альтернативных вариантов решения аналогичной задачи для смешанных СнК в любом из вариантов их технологической реализации приобретает важное практическое значение.

Для решения указанной выше проблемы в [1] с помощью эффективных схемотехнических решений, основанных на введении дополнительных функциональных обратных связей, направленных на минимизацию Ксн [2, 3,

4], создан относительно новый класс активных элементов -мультидифференциальных ОУ (МОУ), которые и могут явиться 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 показано на рис. 1. Этот активный элемент состоит из двух дифференциальных (ДК), одного промежуточного (ПК) и одного выходного (ВК) каскадов. Для построения инструментального усилителя на базе такого 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

Ксн ~ Коссн ' Кд

(1)

в таком ИУ определяется реализуемым коэффициентом усиления

К

1 + Я

г

(2)

Рис. 1 - Структура и условное Рис. 2. - Инструментальный усилитель обозначение МОУ на одном МОУ

Напряжение дрейфа нуля ИУ (Ц, ) здесь также прямо

пропорционально реализуемому дифференциальному коэффициенту усиления:

идР = Есм • Кд , (3)

эта взаимосвязь параметров и определяет область применения такого инструментального усилителя. Действительно в классической схеме влияние дифференциального коэффициента усиления на Ц, и Ксн значительно

меньше. Однако, наличие в структуре ДК1 компенсирующих обратных

связей предварительно обеспечивает глубокое ослабление синфазного напряжения, а взаимосвязь режимов работы динамических нагрузок в структуре МОУ [5] позволяют обеспечить низкое значение Есм [1]. Указанные особенности схемотехники МОУ позволяют увеличить достижимый дифференциальный коэффициент усиления при сохранении относительно высоких требований к и Ксн. Однако работа таких схем

при воздействии жестких дестабилизирующих факторов связана с достаточно существенным ухудшением этих параметров [6]. Поэтому поиск альтернативных методов решения задачи схемотехнического проектирования остается актуальной задачей при условии дискретного (на единицу) увеличения числа используемых активных элементов.

В [7] предложено решение задачи структурного синтеза инструментальных усилителей на базе указанных выше МОУ. Сформулированный в этой работе подход показывает, что решение общей задачи синтеза схем с МОУ связано с синтезом некоторой матрицы В,

устанавливающей допустимые связи между активными элементами рис. 3.

Рис. 3.

- Обобщенная структура на базе двух МОУ

Отметим, что источник входного дифференциального сигнала х0

должен действовать непосредственно на каналы 2 как первого, так и второго мультидифференциального операционного усилителя.

Синтез инструментального усилителя на базе двух МОУ базируется на поиске компонентов матрицы В с учетом возможности параметрической минимизации дрейфа нуля схемы (ид ) и коэффициента передачи

синфазного сигнала (Ксн).

Если вторые каналы МОУ использовать только для подключения источников входного сигнала (взаимодействия с чувствительными элементами системы), то В2 = 0, и, следовательно, матрица

Б"- В+ =

Ь11 Ь12

b b

b21 b22

(4)

будет полностью отображать возможную связь активных элементов схемы. В этом случае дрейф нуля на выходе первого (у1др) и второго (у2др) МОУ

= Ь22 (е11 + e21 K21 /K11 ) - Ь21 (ei2 + e22 K22/K12 ) ф

1дР Ь11Ь22 " Ь12 Ь21 '

= Ь11 (e12 + ^22 K 22/ K12 ) " Ь12 (e11 + ^21 K 21 / K11 ) ^

2^ Ь11Ь22 " Ь12 Ь21 '

где e. - ЭДС смещения j -го канала i -го МОУ, Kyi - коэффициенты

усиления j -го канала i -го МОУ.

При условии, что

A 2 = A + - A- =[^1 Kj Kn - a2 K22/ KX2 f, (7)

следуют дифференциальные коэффициенты усиления

K = Ь22 a1 K21 IK11 - Ь21 a2 K22 IK12 ^

d1 Ь11Ь22 - Ь12 Ь21 ,

K = Ь11a2 K22lK12 - Ь12a1 K21 /K11 ^ д 2 Ь11Ь22 - Ь12 Ь21 .

Для обеспечения низкой параметрической чувствительности этих

коэффициентов необходимо исключить разностные члены в этих соотношениях. Для этого достаточно выполнить условия

Ьи V Ь21 = 0 « V а2 =-1, (10)

которые можно конкретизировать

Ьи = 0, «1 = 1, «2 =-1, А2+= [1 0]г -[0 1Г. (11)

Отметим, что их альтернатива связана только с заменой индексов (номеров МОУ). В этом случае соотношения (5) и (6) конкретизируются

X* = Т • (*11 2 «21 КК) -• (еи 2 е22 К22/Ки), (12)

Ь11 Ь11Ь22

У2р = У • (е12 2 е22 К22/К12). (13)

Ь22

Как следует из соотношения (12) в потенциальной структуре схемы возможна взаимная компенсация влияния ЭДС смещения МОУ. Причем это свойство присуще выходу первого МОУ и, как видно из (13), не распространяется на выход второго усилителя. В этой связи выходом инструментального усилителя является у, при этом его дифференциальный коэффициент передачи имеет следующий вид

К = Ь22 К21/К11 2 Ь21 К22/К12 " Ь11Ь22

и сохраняет потенциально низкую параметрическую чувствительность. Необходимо отметить, что указанное выше свойство взаимной компенсации распространяется и на коэффициент передачи синфазного напряжения

1 К Ь К К х = — --^^^, (15)

ся1 Ь,, 21 К ЬЪ 22 К ' v у

при сохранении его на выходе второго МОУ

1 К

К =--£ • К2^ , (16)

ся2 К К

12

причем К0сст = б- = (1 - К-/К2 ) 1 - коэффициент ослабления синфазного сигнала каждого /-го активного элемента, К -, К 2 - коэффициенты

усиления ] -го канала \ -го МОУ для инвертирующего (-) и неинвертирующего (+) входов.

В этом можно убедиться конкретизацией следующих из (4)

соотношений

к =КА, к я/ к 11 - к 22! к 12 С"1 КА - Ь12 Ь21

К ^ к„1к„ - кк /к,

К

11 22 22 12 12 21 21 11

К11К22 - К К21

(17)

(18)

при выполнении оговоренного выше условия (11).

Рис. 4. - Упрощенная принципиальная схема инструментального усилителя Принципиальная схема полученного инструментального усилителя приведена на рис. 4. Здесь компоненты матрицы (4) реализованы следующим

образом

ь„ = А

я.

Яз + я4

, Ь21 = 1 -А

я

Яз + Я4

Ь22 = А

я.

Я, + Я2

(19)

Поэтому, как следует из соотношений (12), (13)

^ = 1 ■ (*„ + ^ кя /к 11)-• (ва + еи к22/к 12) , А1 А1А 2

1

У2ф = ~ (е12 + к22/к12) . А 2

(20)

(21)

Таким образом, при использовании идентичных МОУ выполнение параметрического условия

А = (1 -А),

(22)

минимизирует дрейф нуля схемы. При этом, как видно из (14) и (15)

1 K K

— = — • + -21), (23)

P -и —J

\ К К

= - • (^21 • ^22 • ) , (24)

Pi K11 K12

что в конечном итоге сохраняет низкую параметрическую чувствительность —д1 и уменьшение коэффициента передачи синфазного напряжения.

Для демонстрации эффективности, предложенных в данной работе теоретических принципов построения инструментальных усилителей, сравним качественные показатели принципиальных схем рис. 1 и рис. 4 в случае использования идентичных МОУ (статический коэффициент усиления ^=48,7дБ, коэффициент передачи синфазного напряжения —сн =-80дБ, частота единичного усиления f =9,2Мгц, ЭДС смещения Есм=1мВ) при условии реализации ими —д =20дБ. Результаты моделирования этих принципиальных схемы в среде PSpice сведены в таблицу №1.

Таблица №1

Параметры инструментальных усилителей на базе МОУ

^^^-ЦАРАМЕТРЫ СХЕМА^^^^^ ВОЗДЕЙСТВИЕ —д, дБ f J гр д ? МГц — , сн ? дБ f , J гр сн ? кГц U др, мВ

Рис. 1 нормальные условия 20,000 3,028 -67 430 9,8

T = -400 С 20,006 3,190 -64 461 9,1

T = +850 С 19,997 2,872 -68 416 8

Рис. 2 нормальные условия 20,000 1,540 -120 226 0,007

T = -400 С 20,005 1,624 -120 180 0,009

T = +850 С 19,996 1,463 -120 235 0,006

Примечание: К - дифференциальный коэффициент усиления, / д -граничная частота К, Кн - коэффициент передачи синфазного напряжения, / сн - граничная частота Ксн, Цдр - напряжение дрейфа нуля усилителя, напряжение источников питания ±5В, токи потребления ±7мВ.

Таким образом, при температурном воздействии от - 400 С до + 850 С в схеме на одном МОУ:

■ дифференциальный коэффициент усиления изменяет свое значение не более чем на дк =±0,03%,

■ реализуемый коэффициент передачи синфазного напряжения усилителя составляет -64дБ,

■ напряжение дрейфа нуля ид =9,8мВ.

Для минимизации напряжения дрейфа нуля ид и уменьшения коэффициента передачи синфазного напряжения к , необходимо, как показано выше, использовать структуру рис. 4. Выбор численных значений элементов схемы для реализуемого кд =20дБ (Я=Я =2,5кОм, Я=Я=10к0м) осуществляется в рамках выполнения условия (22) и дополнительных технологических ограничений на допустимые численные значения резистивных элементов [8, 9, 10].

Полученные результаты (табл. №1) показывают, что предложенный инструментальный усилитель имеет более высокие качественные показатели по сравнению аналогом на одном МОУ:

■ дифференциальный коэффициент усиления изменяет свое значение не более чем на 8К =±0,025%,

■ реализуемый коэффициент передачи синфазного напряжения усилителя составляет -120 дБ,

■ напряжение дрейфа нуля не превышает 9мкВ.

Именно эти параметры и расширяют возможную область практического использования инструментальных усилителей.

Полученные результаты проектирования инструментальных усилителей на двух МОУ позволяют существенно уменьшить как напряжение дрейфа нуля схемы, так и ее коэффициент передачи синфазного напряжения. В практическом отношении это позволяет решить важную задачу построения прецизионных аналоговых интерфейсов для мостовых

резистивных датчиков, функционирующих в широком температурном диапазоне, а также использовать многоразрядные АЦП с существенно более низким опорным напряжением.

Статья подготовлена при выполнения гранта 14.В37.21.0781 по теме «Разработка архитектурных, технологических и схемотехнических основ проектирования специализированных микросхем для обработки сигналов фотоприемников нового поколения и мостовых резистивных датчиков» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы»

Литература:

1. Крутчинский С.Г., Титов А.Е. Мультидифференциальный ОУ в режиме инструментального усилителя [Текст] // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2010. - №3 (101). - C. 200-204.

2. Крутчинский С.Г., Нефедова А.В. Структурная оптимизация дифференциальных каскадов [Текст] // Известия ЮФУ. Технические науки, 2008. - №7. - С. 41-48.

3. Krutchinsky S.G., Titov A.E., Tsibin M.S. Structural optimization of differential stage operational amplifiers // International Conference on Signal and Electronic System (ICSES'10). Poland: Institute of Electronics, Silesian University of technology, 2010. - P.253-257.

4. Krutchinsky S.G., Titov A.E., Svizev G.A. Symmetrical Differential Stages on CMOS Transistors with Circuits of Self-Compensation and Cancellation // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2012). Kharkov, Ukraine, 2012. - P. 241-244.

5. Прокопенко Н.Н., Серебряков А.И., Будяков П.С. Способ повышения стабильности нуля аналоговых микросхем с высокоимпедансным узлом в условиях температурных и радиационных воздействий [Текст] // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных схем - 2010. Сборник

трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского, 2010. - С. 295300.

6. Крутчинский С.Г., Исанин А.С., Прокопенко Н.Н., Манжула В.Г. Радиационно-стойкий измерительный усилитель на базе мультидифференциальных входных каскадов [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1045 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

7. Крутчинский С.Г., Титов А.Е. Структурный синтез инструментальных усилителей на базе мультидифференциальных операционных усилителей (МОУ) [Текст] // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Актуальные проблемы производства и потребления электроэнергии», 2009. - С. 72-81.

8. Дворников О.В. Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем. Часть 2. Базовые схемотехнические решения АБМК 1-3 // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных схем - 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского, 2010. - С. 283-288.

9. О.В. Дворников, Чеховский В.А., В.Л. Дятлов, Прокопенко Н.Н., Старченко Е.И. Микросхема многоканального операционного усилителя и электрометрического повторителя на радиационно-стойком базовом матричном кристалле «АБМК-1.3» [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1557 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

10. Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем. ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». - Шахты : ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - 208 с.