Экономичные аналоговые интерфейсы прецизионных датчиков для смешанных СнК и СвК

Применение этих МОУ в структуре рис. 3 позволило реализовать ФНЧ, амплитудно-частотная характеристика которого показана на (см. рис. 4) (кривые B). Здесь же показана АЧХ ФНЧ в полосе пропускания в сравнении с соответствующей характеристикой фильтра рис. 2 (кривые А). Отметим, что идеальный фильтр характеризуется неравномерностью АЧХ в 0,1 дБ. Как видно из графиков, неравномерность АЧХ с применением МОУ уменьшилась почти в 2 раза, а также усилилось подавление сигнала за полосой пропускания фильтра. Следует отметить, что эффективность компенсирующих обратных связей напрямую зависит от ши. , 40 -

номерность АЧХ за счет цепей компенсации уменьшится в 10 раз.

, -тивных элементов и свойств структуры лестничных ФНЧ обеспечивает создание прецизионных ограничителей спектра с расширенным диапазоном частот.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Коротков А.С. Микроэлектронные аналоговые фильтры на преобразователях импеданса. - СПб.: Наука,1999. - 416 с.

2. . .

ВЧ- и СВЧ-диапазонов // Сборник трудов ВНТК «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем». - 2008. - C. 348-353.

3. .. ..

// « аналоговой микросистемотехники». - 2003. - C. 125-137.

4. Krutchinskiy S.G., Tsibin M.S., Titov A.E. Common-mode signal minimization in differential stage. EWDTS-2010, St.Petersburg, Russia, 2006. - P. 242-245.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Н.Н. Прокопенко.

Золотарев Антон Владимирович - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: lined@mail.ru; 347900, г. Таганрог, 3-я линия, 91; тел.: 88634371773; магистрант.

Zolotarev Anton Vladimirovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: lined@mail.ru; 91, 3rd line, Taganrog, 347900, Russia; phone: +78634371773; magister.

УДК 621.372

Г.А. Свизев

ЭКОНОМИЧНЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ СМЕШАННЫХ СНК И СВК

Сформулированы комплексные требования к экономичным сенсорным интерфейсам

,

датчиками. Обоснована перспективность и показана возможность интеграции интерфейсов в смешанные СнК и СвК для локальных систем управления и диагностики. Освещены структурные и схемотехнические подходы, обеспечивающие удовлетворение предъявленных к интерфейсам требований. Представлены результаты моделирования разработки.

Прецизионный экономичный КМОП аналоговый сенсорный интерфейс; смешанные СнК и СвК; МЭМС, прецизионный широкополосный мультидифференциальный ОУ; ограни; .

G.A. Svizev

ENERGY-EFFICIENT ANALOG CONDITIONERS OF PRECISION SENSORS

FOR MIXED SOC AND SIP

The comprehensive requirements for new generation of energy-effective sensor conditioners, focused on the interaction with the modern high-precision sensors are given. The perspectiveness and the possibility of interface integration in mixed-signal SoC and SiP for local control and diagnostic systems are substantiated. Structural and circuit approaches for meeting the presented to interface requirements are highlighted. The results of modeling are given.

Precision energy-efficient CMOS analog sensor conditioner; mixed-signal SoC and SiP, MEMS; precision wideband multidifferential O ; spectrum limiter; derivative estimation.

, , -читается с чувствительных элементов, преобразующих некоторые физические величины в электрические сигналы. Их первичную обработку осуществляет аналоговая часть сенсорного интерфейса интеллектуального датчика. Тенденция развития таких устройств и современных микроэлектронных систем в общем направлена на их реализацию в виде смешанных (анштого-цифровых) систем на кристалле ( ) ( ) -нических принципов их построения. Появление высокоточных датчиков на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) обуславливает повышенные требования к сенсорным интерфейсам не только по метрологическим показателям, но также по экономичности и надежности. Кроме того, многие задачи управления и диагностики связаны с оценкой производной измеряемой величины в реальном времени. Анализ литературы показывает, что такие интерфейсы не выпускаются, а исследования в этой области только начинаются.

.

ядер при отсутствии высоких требований к помехоустойчивости и радиационной стойкости создается в рамках КМОП-б^иса, что обуславливается сравнительной дешевизной производства, энергоэкономичностью и простотой схемотехники. Сохранение этих достоинств при создании смешанных СнК требует реализации их аналоговых частей также в КМОП-б^исе. Учитывая это, особый интерес представляют субмикронные кремний-германиевые (SiGe) техпроцессы (например, семейство SGB25), сочетающие в базовом (КМОП) уровне аналоговые и цифровые транзисторы и имеющие опцию создания гетеропереходов, позволяющую при необходимости синтезировать специализированные (например, СВЧ) биполярные и БиК-МОП-модули и интегрировать их в уже разработанные на базовом уровне СнК.

, -микросхемотехники [1-3] и создания на ее основе активных элементов, обеспечивающих необходимое качество преобразований. Основной целью работы является синтез аналоговой части прецизионного сенсорного интерфейса, удовлетворяющего указанным выше требованиям.

Инструментальный усилитель на базе мультидифференциального ОУ. Точность интерфейса определяется в первую очередь возможностями его инстру-( ).

благодаря новым структурным и схемотехническим подходам. Реализация ИУ на базе нового класса активных элементов [4] - мультидифференциальных операционных усилителей (МОУ) - вместо классической схемы ИУ обеспечивает не только более высокое подавление синфазного напряжения, но также исключает необходимость применения дорогостоящих технологий создания прецизионных резисторов и уменьшает расход элементов и, соответственно, энергопотребление усилителя практически в 3 раза. Предложенные структурные способы [5] минимиза-

ции ЭДС смещения обеспечивают экстремально низкий и термостабильный дрейф нуля. Кроме того, использованы методы [1-3] повышения коэффициента усиления и частотных характеристик КМОП-структур, также улучшающие удельные показатели энергопотребления схемы. Разработка выполнена в рамках КМОП-б^иса дешёвого техпроцесса SGB25VD. Ее основные параметры, полученные в результате моделирования в среде Cadence Virtuoso, представлены в табл. 1. Операционные усилители (ОУ) с аналогичными показателями получаются при исключении второго канала преобразования во входном каскаде МОУ.

Таблица 1

Основные параметры мультидифференциального ОУ в режиме ИУ

й, ДБ fl, МГц vfo>, Btac ^OCCH, дБ frfi .OCCH, кГц Еш, мкВ C^iCM, мкВ/град UBbix.max, В .HOM, в І0, мА

125 130 30 190 3,s 0,04 0,0015 ±2,8 ±5 б

Примечание: |i - статический коэффициент усиления, f1 - частота единичного усиления, УфР - скорость нарастания фронта, Кжс„ - коэффициент ослабления синфазного напряжения, fv.оссн - граничная частота Кжс„, Ет - ЭДС смещения, alim - температурный коэффициент Ет, - максимальное выходное

напряжение, U.и» - номинальное напряжение питания, 1° - потребляемый ток.

Аналоговый интерфейс. На основе представленного МОУ разработан прецизионный сенсорный интерфейс (рис. 1). Выходные сигналы измерительного моста чувствительного элемента (ЧЭ) поступают на входы первого канала МОУ1. Его дифференциальный коэффициент усиления, дрейф нуля и коэффициент передачи синфазного напряжения определяются соответственно соотношениями

R K,,

к — 1 | 4 и — E K K — Д

ЛД - Ат- ’ и Др ^СМ^-Д ’ iVCH 5 ^ '

r4 коссн

где £см, А'оссн - параметры МОУ (табл. 1).

Фильтр нижних частот (ФНЧ) третьего порядка с повторителем на выходе

(элементы R1 - R3, C1 - C3, ОУ2) ограничивает спектр выходного сигнала, что по-

вышает точность последующего аналого-цифрового преобразования (АЦП) за счёт подавления помех в окрестности тактовой частоты АЦП. Таким образом, с учетом широкополосности и высокого коэффициента усиления МОУ1 (табл. 1) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) тракта измерения определяется передаточной функцией ФНЧ третьего порядка

Г

p + p «2 + Ра1 + а°

коэффициенты которой

„ — §1 + 8 2 + 8 2 + §3 а — §l(§2 + §з) + §2 §3 + g2 §3 „ — 8l 82 83

I Э £/-i I ^

2 Cl C2 ^ C1C2 C2C3 0 C1C2C3

8i—/ri ’ §2—/r2 , §3—/r 3 характеризуются низкой (<1) элементной чувствительностью к нестабильности параметров резисторов и конденсаторов. Для реализации небольшой (< 1/2n+1, где n - разрядность АЦП) неравномерности АЧХ в полосе пропускания при любой аппроксимирующей функции добротность полюса оказывается незначительной, поэтому можно использовать дополнительные параметрические условия:

R1 — R2 — R3 — r , C1 — C3 — C, C2 — hC.

Тогда

a2 —

2 (h +1) RCh

a0

R3C 3h

что с точностью до отношении номиналов однотипных элементов соответствует структуре лестничного фильтра. Коэффициенты передаточной функции (2) следуют из решения аппроксимационной задачи по критерию точности преобразования сигнала в полосе пропускания - минимума амплитудной или фазовой ошибки.

Рис. 1. Принципиальная схема аналогового интерфейса

1

4

Указанные свойства такого ФНЧ связаны с увеличением влияния частоты единичного усиления (1) ОУ2, поэтому для сохранения низкой чувствительности АЧХ в полосе пропускания необходимо выполнить условие

Л» /гр • 2h2,

где /р - граничная частота полосы пропускания ограничителя спектра. Для совре-

менных схемотехнических решений ОУ такое ограничение не является жестким.

Точность реализации АЧХ в полосе пропускания связана с нестабильностью пассивных элементов ФНЧ и соответствующей интегральной (среднеквадратической) чувствительностью. Учитывая, что в диапазоне рабочих частот сенсорного интерфейса такая чувствительность возрастает по мере приближения к /,, целесообразно уменьшать эффективность использования полосы пропускания. Так, в ° / / /h -

зовании резисторов и конденсаторов соответствующего класса точности.

° 25 -

чивает точность преобразования 12 bit. Получаемую АЧХ канала измерения ( . 2) .

10° 101 102 103 104 105 106 107 108 109 ю10

freq

Рис. 2. А ЧХканала измерения в широком диапазоне частот

u!lblX2 _—г"1 kV

Таким образом, в диапазоне рабочих частот датчика выходной сигнал интерфейса с заданной неравномерностью АЧХ определяется выражением

“вЫ*1 =

где ичэ - дифференциальное напряжение чувствительного элемента.

Вычитание сигналов на интегрирующей цепи ^3, С3) с помощью МОУ3 позволяет получать оценку производной сигнала датчика с высокой точностью, что является отличительной чертой интерфейса

Эц дt

где к = 1 + R5/г, т3 = R3C3.

Для компенсации влияния изменения температуры на результаты измерений в интерфейс включен канал термокоррекции

и 3 = £ ,

вых3 ОП -I А . у /

1 + а КА/

где Rt0 - сопротивление терморезистора при Д/ = 0, ая - его температурный коэф-.

Важным дополнительным преимуществом использования мультидифферен-циального ОУ является возможность включения в его цепь обратной связи резистивной R-2R-мaтpицы, задающей дифференциальный коэффициент усиления и позволяющей проводить аналоговую линеаризацию и термокоррекцию всего тракта измерения

n -1 n a,

+1,

У —

о1

V i=12 J

где а; - состояние коммутаторов матрицы R-2R.

Моделирование интерфейса проводилось в среде Cadence Virtuoso. За аналог для сравнения принят прецизионный сенсорный интерфейс PGA309 фирмы Texas Instruments, являющейся мировым лидером в производстве прецизионной электроники. Как видно из табл. 2, по ключевым показателям разработка качественно (на порядки) превосходит аналог.

Раздел II. Сложнофункциональные блоки смешанных систем на кристалле

Таблица 2

Сравнение интерфейса с аналогом по ключевым показателям

/р, кГц к№, ДБ Ет, мкВ С^іСМ, мкВ/град уФр , В/мкс N1, Ъи Ї5 -о ЕП, В

Разработка 50 25 -158* 0,04 0,0015 30 12 8 ±5

Р0Л309 - - -56 3 0,2 0,5 - - -

Примечание: Кл - дифференциальный коэффициент усиления, /, - верхняя граница полосы пропускания, Кси - коэффициент передачи синфазного напряже, - , О-Ет - температурный коэффициент Ет, Уфр - скорость нарастания фронта, N1, N2 - точность измерения величины и ее производной соответственно, Еи - напряжение питания;

* при КД = 50.

Новые структурные и схемотехнические подходы позволяют синтезировать для КМОП-б^иса широкополосный инструментальный усилитель с высоким коэффициентом ослабления синфазного напряжения (190 дБ), экстремально низким (0,04 мкВ) и термостабильным (0,0015 мкВ/град.) ЭДС смещения и потенциально уменьшенным энергопотреблением. На основе этого усилителя разработан аналоговый сенсорный интерфейс, обеспечивающий измерение физических величин на пределе точности современных прецизионных датчиков (12 ЪО). Отличительной особенностью интерфейса является возможность аналоговой оценки производной сигнала датчика с высокой (8 ЪО) точностью. Исключение прецизионных технологий и использование КМОП-б^иса дешевого техпроцесса 80Б25УБ обеспечивают возможность интеграции интерфейса в смешанные СнК и СвК. По ключевым показателям разработка качественно превосходит зарубежные аналоги. Совокупность указанных фактов позволяет выпускать микросхемы на территории Россий-.

БИБЛИОГРДФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Крутчинский СТ., Жебрун КА., Золотарев А.В., Свизев ГА. Повышение коэффициента усиления каскадов на КМОП-транзисторах цепями собственной компенсации // VIII Международный научно-практический семинар «Проблемы современной аналоговой микросхемотехники». - Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - С. 47-58.

2. . ., . ., . ., . . -чих частот каскадов на КМОП-транзисторах // VIII Международный научно- практический

« ». - :

«ЮРГУЭС», 2011. - С. 59-72.

3. Крутч инский СТ., Жебрун КА., Золотарев А.В., Свизев КА. Высокочастотная коррекция КМОП-усилителей // VIII Международный научно-практический семинар «Проблемы современной аналоговой микросхемотехники». - Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - С. 73-87.

4. . ., . .

// -« ». - 2004. - 20. - . 37-45.

5. . . - //

Сборник конкурсных научно-исследовательских работ магистрантов, аспирантов и молодых ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлектронного комплекса. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2011. - С. 292-297.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Н.Н. Прокопенко.

Свизев Григорий Альбертович - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: grits1989@mail.ru; 347928, г. Таганрог, ул. Чехова, 22; тел.: +79526036933; магистрант.

Svizev Grigory Albertovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: grits1989@mail.ru; 22, Chekhova street, Taganrog, 347928, Russia; phone:

+79526036933; magister.

УДК 621.372

A.E. Титов РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА БАЗЕ МОУ

Проектирование радиационно стойких инструментальных усилителей требует применение не только радиационно стойких технологий производства, но и эффективных схемотехнических решений, направленных на стабилизацию работы устройства в условиях радиационного воздействия — потока нейтронов, дозы радиации и температуры. В работе представлены результаты проектирования для техники аналогового базового матричного кристалла АБМКрадиационно стойкого инструментального усилителя на базе структурно оптимизированных мультидифференциальных операционных усилителей и результаты его моделирования в среде PSpice.

Радиационно стойкий инструментальный усилитель; минимальный дрейф нуля; коэффициент ослабления синфазного сигнал; радиация; поток нейтронов.

A.E. Titov RADIATION-RESISTANT TWO-CHANNEL INSTRUMENTATION AMPLIFIER ON THE BASE MOA

Design of radiation-resistant instrumentation amplifiers requires application not only radiation-resistant technologies, but also effective circuit decisions directed on stabilization of work of the device in the radiating influence conditions — neutron flux, radiation dose, temperature. In work results of designing of the radiation-resistant instrumentation amplifier on the base multidifferetial operational amlifiers for techniques analogue base matrix chip ABMC and results of modeling in the PSpice environment are presented.

Radiation-resistant instrumentation amplifier; the minimum zero drift; CMRR; radiation; neutron flux.

Создание радиационно-стойких аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов (АИ и АЦИ) смешанных систем в корпусе (СвК), ориентированных на взаимодействие с чувствительными элементами (сенсорами) мостового типа всегда предполагает применение инструментальных усилителей (ИУ) как с фиксированными, так и управляемыми параметрами, выполняющих функции подавления синфазного сигнала и усиление дифференциального напряжения. Эти устройства являются основой как для аналоговых портов, так и для целого класса сложнофункциональных блоков (СФ-блоков) СвК. Как с экономической, так и с технической точек зрения такие СФ-блоки в виде полупроводниковых кристаллов целесообразно ориентировать на технику соответствующих аналоговых базовых матрич-( ),

ИС прошел биполярно-полевой АБМК [1]. Оригинальная топология макрофраг-