CC BY
70
Раздел II. Сложнофункциональные блоки смещенных систем на кристалле
УДК 621.372
СX. Крутчинский, АХ. Титов
СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НА БАЗЕ МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ (МОУ)
На базе обобщенной структуры электронных усилителей с муль-тидифференциальными ОУ решена задача синтеза принципиальной схемы инструментального усилителя с максимальным коэффициентом ослабления синфазного сигнала и минимальным дрейфом нуля. Такие устройства являются базой для построения аналоговых интерфейсов смешанных систем на кристалле.
Структура; кристалл.
S.G. Krutchinsky, A.E. Titov
TOOL AMPLIFIERS ON THE BASIS OF MOA STRUCTURAL SYNTHESIS
On the basis of the generalized structure of electronic amplifiers with multidifferential operational amplifiers the problem of synthesis of the basic scheme of the tool amplifier with the maximum factor of easing of an inphase signal and the minimum drift of zero is solved. Such devices are base for construction of analogue interfaces of the mixed systems on a chip.
Structure; chip.
Введение. Совершенствование аналоговых интерфейсов интеллектуальных датчиков и датчиковых систем непосредственно связано с повышением основных качественных показателей инструментальных (измерительных) усилителей (ИУ) и в первую очередь его коэффициента передачи синфазного сигнала (Ксн) и дрейфа нуля (U ). Разработка новых схемотехнических принципов
дифференциальных каскадов ОУ с минимальным Ксн [1] не решает общую
проблему для этого класса усилителей, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, в классических структурах ИУ на базе трех или четырех ОУ предельное ( ) -ется точностью отношения (£к ) четырех или восьми резисторов
Ka,mrn ~ 2(4)4 = 2(4)rppt (1)
-,
смещения (Ecv) двух или четырех ОУ
идр min = Kд (Есм1 ~Есм2 ) + 3(^а«3 ~ Есм4 ) (2)
где Кд - дифференциальный коэффициент передачи ИУ.
, -
веренные на целом ряде разработок показывают, что при использовании таких
ИУ в интерфейсах, функционирующих при воздействии жестких внешних факторов (температура, радиационное излучение и т.п.) даже в случае применения
специальных технологических приемов % к составляет 1 % и коэффициент ослабления синфазного сигнала не превышает 34 дБ.
Именно поэтому ПОИСК структур ИУ, у которых К„т!п не зависит от точности резистивных элементов схемы, остается актуальной научно-технической задачей в общей проблеме проектирования смешанных систем на кристалле (СнК).
. -
зисе операционных усилителей (ОУ) показывает, что минимизация Кси в этом
элементном базисе невозможна по причине необходимости использования резистивных элементов в дифференциальных сумматорах напряжения. С системной точки зрения такой вывод приводит к необходимости увеличения числа дифференциальных входов ОУ как потенциальных "степеней свободы" общей структуры. В [2] показано, что решение задачи на компонентном уровне без ухудшения этого базового показателя ОУ возможно путем применения во входных каскадах
мультидифференциальных ОУ (МОУ) дополнительных компенсирующих Кш , -
.
связью являются инструментальными усилителями, у которых К не зависит
от соотношения резистивных элементов, однако его величина и дрейф нуля пропорциональны реализуемому дифференциальному коэффициенту передачи, что в конечном итоге и ограничивает область его практического применения.
Для установления взаимосвязи базовых параметров ИУ с параметрами МОУ и поиска принципов минимизации коэффициента передачи синфазного сигнала и дрейфа нуля, а также для поиска новых структур ИУ решение общей задачи необходимо выполнять в рамках обобщенных структур, которые представляют собой полный сигнальный граф, образованный базисными структурами (мультидифференциальными ОУ) и физически реализуемыми связями между ними посредством пассивных элементов.
Обобщенная структура и основные свойства электронных схем с муль-.
,
, .
, -
введения в схему дополнительных обратных связей, и, следовательно, анализ основных свойств электронных схем с МОУ [2].
Для решения этой частной задачи воспользуемся обобщенной структурой ( . 1).
Рис. 1. Обобщенная структура с мультидифференциальными ОУ
Из векторного сигнального графа (рис. 2) этой структуры следует система векторно-матричных уравнений:
х- = А- х0 + Б-У х2 = А2 х0 + Б2У
х+ = А+ х0 + Б+У
*■2 —™2Л0 +^2а
X- = А~х0 + Б-У
X + = А+Х0 + Б+У
(3)
Хт = Ат Х0 + БтУ
Хт = Ат Х0 + БтУ
У = { }х- + { }х-2+... + {к-ш }х+ +{ }х+ +... + {+,}х
У = ТУ
Смысл векторов X-, X-,..., хт; х+, х+, ..., хт, У следует из рис. 2.
Рис. 2. Векторный сигнальный граф обобщенной структуры Векторы а- = (а-), Л+ = (а +) размерностью Ых1 описывают расщепитель
входного сигнала х0 и связывают его с инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) входами (/ = 1,т) мультидифференциальных ОУ (/ = 1,Ы). Матрицы В- = ||&-|| (XN), В+= Цй+1 (XN) образованы локальными передаточными
функциями пассивной подсхемы, обеспечивающей передачу и масштабирование сигнала со входа /-го активного элемента на /-й инвертирующий или неинвертирующий входы /-го МОУ. Активные элементы описываются диагональными матрицами размера ^х^:
{},{} /=1т, /=ш, (4)
, /- /-
инвертирующему (-) и неинвертирующему (+) входам.
Связь выходов активных элементов с нагрузкой осуществляется через сумматор, локальные передачи которого образуют вектор Т = [//■] размера ^х1). Для учета влияния ослабления синфазного сигнала по различным входам введем в общем случае функции:
*-= Б-К±, к- = К^, (5)
к1/ к1/ характеризующих не идентичность каналов усиления входного сигнала. Тогда
{ к}=-[к, }|^N + { к- }] / = 2N (6)
{ К+ }={к/ }[^ +{ к+ }] / = Ш (7)
Решение системы (3) приводит к следующему вектору выходных сигналов :
У = [{к-1 }+ В + ДВ] (А + АЛ )х0, (8)
А = т А - А-); (9)
/=1
В = т[в- - В+]; (10)
где
/
/ = 1
т г 1 тгт „ ч
дл = т{к+ к - т {к- }а- • <11>
/=2 /=2
ДБ = }в- - 1{к+ }в+ . (12)
/=2 /=1
(8)
:
Кд = ^ = т[{к,-‘ }+В + Дв]-1 (А+АЛ). (13)
Х0
Реально коэффициенты ослабления синфазного сигнала при использовании компенсирующих контуров в дифференциальных каскадах МОУ[1] достаточно велики, поэтому при анализе их влияния на функцию (13) можно исключить
,
.
.
/- .-
активного элемента. Из (12) следует (индекс / соответствует номеру матрицы):
АБ(к~1) =
0 .... 0
ь'и .... ьт
к - =[о...к11...о]т [ .... ьN ]. (14)
0 [3] ( -
) :
[в + { }в- ] = В- -1 В-[...к//...о] [ Ь/N]в- 1, (15)
где у= 1 + [- .... Ь//-]В~1 ][..!/ ...0]Т .
,
К-д А/) = -к/ - к П Т в-1 [о...а- ...0]т . (16)
1 + к
В выражении (16)
Hj = Т в-1 [0...1...0]т 17)
является локальной передаточной функцией системы при подаче сигнала на /-й
. - ,
Г =Ь-.......Ь/-]в -Ч (18)
представляет собой передаточную функцию при условии, что вектор Т образо. - ВП, а
Г / = [ьв .... ]в-1 [0...1 ...0] (19)
является передаточной функцией системы при подаче сигнала на /'-й вход /-го МОУ при условии, что вектор Т образован указанным выше способом.
Аналогичный результат получается и для к +. Однако, как это следует из
(9) (10) .
С учетом структуры вектора (10) полное приращение дифференциального коэффициента передачи будет иметь следующий вид
— Ж „ (Р,
]=1
(20)
£к; п, - ^к- т+т#-+£к; — - £к-н-
П=1 1 - к/ф , П=2 1 + к/ф , П=1 П=2
Здесь и далее
ф+ = [Ь+ ...КП ] в-1 А;Ф+ = [ь+...ьш ] в -1у; ; н р = тв -1у; (21)
ф- =ВпП....Ьш ]в-1А;н + = тв-^ГаГ;ФГ = [ь-....Ь-/]в-1У^
где У+ , (V-) - вектор-столбец размером (Ш х 1), имеющий отличную
от нуля и равную единице компоненту, соответст вующую /-му неинвертирующему (инвертирующему) входу /-го МОУ (см. структуру вектора (12);
а + , (а) - передачи пассивной подсхемы от источника сигнала к /'-му неинвертирующему (инвертирующему) входу /-го усилителя; к+ - коэффициент
ч
0
0
ослабления синфазного сигнала /-го МОУ по /'-му неинвертирующему входу;
к/П - коэффициент относительной неидеальности /-го МОУ П-му инвертирую-и
.
В соотношениях (20) , (21) индекс / характеризует номер матрицы, входящей в ряд (11).
(20)
на возможность взаимной компенсации влияния неидентичности каналов муль-
.
,
(13), а его изменение под действием кП/ аналогично (20) и отличается только
значением вектора входных воздействий. Так, при N=3 для получения Кд необ-
ходимо, как это следует из (3) использовать вектор
Л = (1 -1 0), (22)
а для получения Ка1
4 = (1 1 0). (23)
(3) .
Действительно, эта величина определяется Еси МОУ, поэтому входное воздействие на систему
А> = (^1,^2..........)Т (24)
, (13),
N
и = У НЕ .. (25)
Др / 1 / см/
П=1
Полученные выражения являются общими для рассматриваемой задачи и позволяют сформулировать важный для процедуры синтеза оптимальной структуры вывод - минимизация Кш и дрейфа нуля ИУ требует минимизации V/
локальных передаточных функций (передач) Н.. Именно последовательность
этих частных задач связана с поиском таких принципов взаимодействия МОУ, которые независимо от соотношения пассивных элементов минимизирует эти .
Оптимальная структура инструментального усилителя. В общем случае задача синтеза структуры по сформулированным частным критериям предполагает минимизацию V/'/ в пространстве Ь+1 и Ь~ следующих локальных пе-:
н =^(ЬВ, ЬГ), Н 2 = ^2(Ь.+, ЬГ),—3 =^(Ь+, Ь/Г) (26)
, (13) . -
чить перебор вариантов не удается, по крайней мере, в силу изоморфизма схем.
3 , (1 2) -
, -
ной связи (Ьв = Ь+23 = 1Ь3+! = Ь32 =^0).
Для автономной двухканальной структуры матрица (10) в общем случае
будет иметь следующий вид:
В _
Ьи Ъ21
Ъп Ъ22
Поэтому, как это следует из (17)
Ъ22 - Ъ21 + ик2
А
, Н 2 =
Ъц — Ьі2 + 1^1
А
(27)
(28)
*2 2
где А 2 = Ьц^22 — Ь21^12 + ^22 /^2 + Ьц /^1
Следовательно, глобальный минимум возможен при выполнении следующих параметрических условий:
Ь+1 = Ь+2 = Ь+2 = = 0, Ь— = Ь—1 = 1 — в, Ь—1 = Ь— = р. (29)
Тогда
Н з =
А,
А 2 + 2Л>(1 — в)
Ні _
1
в + ^(1 — в)
1
Таким образом,
К,
К,„ _
(30)
(31)
_1___________
—^2 1—в+ в
■/2во
(32)
*1 ^2
, -
1 2.
СВОЙСТВО определяет И уменьшение ВЛИЯНИЯ Есч1 И Е«2 , а вклад Е«3 минимизируется а2 .
Принципиальная схема инструментального усилителя с найденными цепя-
3.
^ Г
в = 1Г^в0 =^—, (33)
то
к,.„ _■
1
1
Л + г’
1
2в0 1 — в + вч/^2 в^2^1(1 —в)
=1 й 2во
^ Е см2 Есм1 +______ЕсмЪ____
Ф_ во во 2во(*1 + ^2)
)
(34)
(35)
(36)
Таким образом, Ксн практически не зависит от соотношения резистивных Есл/3 на ид существенно (в К раз) уменьшается дейст-
вием местной обратной связи.
я
--------------------1=3
Рис. З.Инструментальныйусгтитель на трех МОУ
При моделировании принципиальной схемы разработанной на базе компонентов радиационно-стойкого АБМК [5], используемого мультидифференциаль-ные ОУ с параметрами, приведенными в табл. 1.
1
Основные параметры радиационно-стойких МОУ
Указанные параметры справедливы при напряжении питания МОУ ± 5В и потребляемом токе ± 4мА.
При построении входных дифференциальных каскадов этих активных элементов использована предложенная в [1] методика введения компенсирующих синфазный сигнал дополнительных обратных связей. Достоверность моделей полупроводниковых компонентов базового кристалла проверенна на многочисленных практических разработках .
Результаты моделирования разработанного ИУ в среде 8Рюе приведены в . 2.
Указанная в таблице погрешность обусловлена влиянием погрешности отношений (± 1,5 %) всех резистивных элементов принципиальной схемы как показанных на рис. 3, так и в ходящих в состав МОУ. Отметим, что погрешность отношения резистивных элементов в ± 1,2 % является предельной не только для АБМК, но и для всех используемых в настоящее время полупроводниковых технологий аналоговых ИС. Дополнительным важным свойством схемы является возможность изменения дифференциальным коэффициентом передачи за счет изменения глубины обратной связи в0 (например, через ЦАП).
Таблица 2
Результаты моделирования принципиальной схемы ИУ
>чЙШ)аметры Kc- f _ ^гр _сн ^гр вх f J гр К,, З
схема дБ кГц в мВ дБ кГц мкВ В/мкс
рис. 3 131 ± 0,14 1 ± 0,010 \ О 7 о \ ° \ 33 ± 0,03 57,5 ± 1,2 40,9 ± 0,5 0,4
Заключение. Синтезированная в работе при нципиальная схема ИУ является оптимальной по совокупности параметров, входящих в постановку задачи для трех МОУ. Её свойства учитывают особенность производства для существующих полупроводниковых технологий, а качественные показатели заметно превышают аналоги ведущих зарубежных фирм. Однако важнейшим результатом работы необходимо считать предложенную методологию синтеза оптимальных структур инструментальных усилителей на базе МОУ.
Разработка смешанных систем на кристалле и аналого-цифровых интерфейсов как СФ (ГР)-блоков, которые интегрируются в общую систему в соответствии с целью проекта и базовыми ограничениями, диктуемыми технологией производства, как показывает практика решения задач, требует создания "нестандартных" узлов и модулей и, следовательно, является устойчивым стимулом развития новых методов схемотехнического проектирования. Так, предложенная в настоящей работе методология структурного синтеза позволила создать еще более прецизионные ИУ, которые интегрированы с ограничителем спектра и АЦП.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 КрутчинскийС.Г. Нефедова А. АСтруктурная оптимизация дифференциальных каскадов. - Известия ЮФУ. Технические науки. 2008. - №7. - С. 41 - 48.
3 Крутчинский СТ. Старченко Е.И Мультидифференциальные операционные усилители и прецизионная микросхемотехника - Международный НТЖ "Электроника и связь". №20. - Киев, 2004. - С. 19 - 23.
3. Фадеева В.И.Фадеев Д.К.Ъычжлнтельные методы линейной алгебры. - М.: Физматгиз, 1963. - 655 с.
4. Дворников О.В.Чжовский В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями // Chip News. - 1999. - №2. - С. 21.
Крутчинекий Сергей Георгиевич
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге E-mail: [email protected]
347928, Таганрог, ГСП 17А, Некрасовский, 44. Тел: 88634-371-689
Титов Алексей Евгеньевич E-mail: [email protected] Тел: 88634-371-689
II.
Krutchinsky Sergey Georgevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”
E-mail: [email protected]
44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928. Phone: 88634-371-689
Titov Alexei Evgenevich
E-mail: [email protected] Phone: 37-17-73
УДК 621.375
H.H. Прокопенко, Д.Н. Конев, АЛ. Серебряков
СИНТЕЗ СТРУКТУР АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ С ПОВЫШЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ НУЛЕВОГО УРОВНЯ В УСЛОВИЯХ РАДИАЦИИ
Предлагается концепция синтеза аналоговых микросхем с малым напряженней смещения нуля при радиационных и температурных воздействиях. Радиация; напряжение смещения нуля.
N.N. Prokopenko, D.N. Konev, A.I. Serebryakov
SYNTHESIZE OF ANALOG CHIPS WITH IMPROVED STABILITY OF
ZERO IN RADIATION
A concept of the synthesis of analog circuits with a small bias voltage of zero under influence the radiation and elevated temperature.
Radiation; the voltage bias of zero.
Радиационное и температурное воздействия изменяют напряжение эмит-- (U ), I .0 -
ния по току базы (Р) транзисторов. При этом два последних фактора приводят к нестабильности тока базы.
U .1, -
ленной дрейфом иЭб, применяются хорошо известные параллельно-бадансные
схемы дифференциальных каскадов (ДК), в которых обеспечивается взаимная компенсация нестабильности иэб двух одинаковых входных транзисторов ДК. В результате эта составляющая напряжения смещения, например, операционных усилителей (ОУ), уменьшается: UCM.1 “ 0.
U .2, -
, -
( ) ( ), реализуются эффекты взаимной компенсации абсолютных значений токов базы и их приращений, обусловленных температурной, радиационной или режимной зависимостью параметров транзисторов.
Анализ современных операционных усилителей с одним выходом показывает, что большинство их схем приводятся к архитектуре рис. 1,а, в которой можно выделить высокоимпедансный узел «А», обеспечивающий суммирование выходных токов (I3 и I4) обобщенного входного дифференциального каскада ( 1) (I ) ( , ):
