Радиационно-стойкий измерительный усилитель для диагностических и управляющих систем

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Б. Уидроу, С. Стирнс, Адаптивная обработка сигналов/ Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989.

2. И.В. Гудков. Адаптивный алгоритм идентификации динамического объекта типа "черный ящик". Тезисы доклада на Всероссийской СНК с Международным участием Туполевские чтения студентов», Казань, 2003г.

3. Н.В. Гудкова, В.И. Гудков, И.В.Гудков. «Программируемый адаптивный регулятор уровня дискретных сигналов». В сб. «Проблемы

современной аналоговой микросхемотехники». Международный научнопрактический семинар, Шахты, 2003г.

С.Г. Крутчинский, И.П. Щербинин РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Создание радиационно-стойкой радиоэлектронной аппаратуры, ориентированной на решение современных задач диагностики и автоматического управления объектов АЭС и космических аппаратов связано с построением целого класса специальных узлов различного функционального назначения и уровня интеграции. Применение для этих целей СБИС типа «Система на кристалле» в настоящее время вряд ли оправдано в силу низкой их радиационной стойкости. Более рационально создание устройств сбора и предварительного преобразования исходной информации на базе ИС среднего уровня интеграции, эффективно используя при этом простейшую микронную технологию, которая при определенной геометрии полупроводниковых компонентов позволяет создавать устройства с высокой (до 1 Мрад) радиационной стойкостью [1].

Однако в этом случае подходы к построению широкодиапазонных аналоговых устройств, с учетом того, что возможности современной аналоговой микросхемотехники направлены на расширение диапазона рабочих частот и скорости нарастания выходного напряжения [2], не позволяют обеспечить низкий дрейф нуля, который бы соответствовал уровню, характерному для нерадиационно-стойких элементов. В связи с этим создание высококачественных измерительных (инструментальных) усилителей, являющихся неотъемлемой частью датчиков и аналоговых интерфейсов, приобретает важное практическое значение.

На рис. 1 приведена принципиальная схема стандартного, ставшего классическим инструментального усилителя.

Высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала и низкий дрейф нуля (ЭДС смещения, исм), независящий от реализуемого дифференциального коэффициента усиление (Кд), обеспечиваются за счет идентичности ОУ1 и ОУ2 и высокой относительной точности параметров резисторов.

Ус

Рис. 1. Классический инструментальный усилитель

Кд = 1 + 2R / г; (Я] = Я2 = Я) исм = 2ез, (Я, = ЯА= Я, = Я6 = Я),

-3 > I 3 4 “5

где е3 - приведенное к входу ЭДС смещения ОУ3.

Если учесть влияние неидентичности элементов схемы, то

А

„ ЛЯ, АЯ; АЯ. АЯ, АЯ. = -----5-----4 + —1) + е( 4

АЯ, АЯ

СМ Я 2 р Я_ Я. Я.

6 5 4 3

= Кд(Ае -Ае ) + 2Ае СМе 2 1 3,

где АЯ / Я . - относительного изменение /-го резистора;

з я

4

3

я.

Дег- - абсолютное приращение приведенного ко входу ЭДС смещения 1-го

ОУ.

В приведенных соотношениях приняты идентичными ОУ1 и ОУ2, т.е. в2= е. Таким образом,

Аи^,п = 4е 0 „,

СМ Я _тах Я

А и см ^ °С) = 43еак Аі Аи^ г (і ° С) = 4 4 + 2Кд2 а А і

СМ е' ' ' е

где - технологическая точность изготовления резисторов;

о.к, ае - температурные коэффициент сопротивления резисторов и ЭДС смещения ОУ;

Д1 - диапазон рабочих температур схемы. Отметим, что граничная

частота, т.е. полоса пропускания (уровень 3 дБ) измерительного усилителя определяется по формуле

/ =421 /Кд

гр 1 ,

где /] - частота единичного усиления операционных усилителей схемы.

Теоретически напряжение смещения, определяемое соотношением (2), можно скомпенсировать специальной настройкой цепей балансировки ОУ3. Однако при этом усложняется не только технологический процесс, но также, увеличивается число прецизионных резисторов схемы [1] и, что особенно важно, не уменьшается величина, определяемая влиянием температуры окружающей среды (7) и уровнем радиации.

Теоретические принципы собственной и взаимной компенсации [3], их конкретизация для схемотехники электронных усилителей [4] позволяют существенно уменьшить влияние указанных факторов на дрейф нуля рассматриваемого класса устройств. Как показано в [4], при реализации требуемых локальных коэффициентов передачи отдельных узлов безынерционных устройств уменьшение влияния ЭДС смещения нуля на суммарный дрейф схемы возможно только за счет взаимной компенсации влияния аналогичных параметров на результирующие характеристики. На рис.2. приведена принципиальная схема инструментального усилителя, обладающего указанными свойствами.

(1+Р/г)и(^ Р3 Р9

Здесь при условии, что Я1=Я2=Яз=К4=Кб=К7=К9=К10=К11=К,

Я5=Я8=2Я дифференциальный коэффициент усиления и дрейф нуля при

аналогичных условиях определяются из следующих соотношений:

К = 2

исм = 3

где ез и в4 - приведенные ко входам ЭДС смещения ОУ3 и ОУ4.

Аналогично

ли „ = <

(3^9 1 ^3+5^4 % + 1 ^б+2^1 2^2+2^8+2^10 2 V

4 *9 3 *3 3 *4 *11 3 *6 3 *7 3 *12 3 *8 3 *10 3 *5,

см_у К{Аб2 ~Аб1) + 3К ~Аб4).

В соотношении (11) ЭДС смещения всех ОУ считается одинаковым. Таким образом, основные качественные показатели предложенной схемы определяются из следующих уравнений

ли

ли „ = 7е© ,

см К тах К

ли

см

п(ї °С) = Зєа^Лї К К

ли

см

о °С) = 4 Кд2 /2 +18-а лі,

еу 7 е

/ =л/81 / Кд. гр 1

Следовательно, в приведенной принципиальной схеме измерительного усилителя дрейф нуля определяется разностью приведенных к входу ЭДС смещения всех ОУ. Что существенно уменьшает статическую погрешность датчиков и аналоговых интерфейсов, включая и случай, связанный с воздействием дестабилизирующих факторов. Увеличение влияния резистивных элементов схемы (соотношения (13), (14) и (6)) практически незначительно и, как показывают расчеты, не изменяется при любом коэффициенте усиления. Не менее важным является и расширение диапазона рабочих частот, что в ряде случаев может быть использовано для улучшения других качественных показателей проектируемых устройств.

Результаты моделирования рассмотренных схем измерительных усилителей при использовании счетверенного программируемого радиационно-стойкого ОУ-П [1] (е=1,9мВ, а,=6,5 мкВ/0С), резисторов класса точности 0,1% с учетом изменения температуры окружающей среды температуре окружающей среды в диапазоне от -40 0С до +80 0С приведены в таблице 1. Моделирование проводилось с использованием пакета прикладных программ DesignLab 8.1 (Р§р1Бе).

Таблица 1

Результаты моделирования схем на ОУ-П

Схема Кд исм, мВ ДИсм, мВ (Д1=1200С) /гр, МГц Кс, дБ

ОУ-П Рис. 1 10 3,908 15 4,614 76,5

20 26 3,123 76,5

30 37 2,086 76,5

50 59 1,123 76,5

70 81 0,734 76,5

ОУ-П Рис. 2 10 0,015 3,9 6,157 63

20 7,8 5,55 70

30 11,7 4,437 74

50 19,5 2,631 78

70 27,3 1,822 81

Примечания: Кс - коэффициент ослабления синфазного сигнала;

А иСМ - выходное напряжение смещения нуля.

Отметим, что на базе указанного радиационностойкого ОУ можно построить и другие высококачественные аналоговые устройства. Настоящие результаты хорошо согласуются с расчетными соотношениями

Таблица 2

Сравнительная таблица основных параметров

Тип ОУ Кд Исм,тах, мВ , ц V, В/мкс Кс, дБ 10, мкА

АД627 10 3,8 40 0,05 96 85

ОУ-П [1] Рис. 2 10 3,9 350 0,8 60 300

Примечание. Скорость нарастания выходного напряжения V определялось при погрешности 0,01%, исм в диапазоне температур от -40 0С до +80 0С. Собственный шум схем в указанных полосах пропускания как в первом, так и во втором случаях значительно меньше исм и поэтому не влияет на результирующую погрешность преобразования. 10 - ток потребления при Еп= + 5 В.

Полученные результаты показывают эффективность решения задачи построения радиационно-стойких аналоговых ИС путем сочетания технологических возможностей изменения геометрии полупроводниковых компонентов [1] и достижений микросхемотехники, направленных на минимизацию влияния, возникающих при этом погрешностей на характеристики и параметры функциональных устройств.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Каталог разработок Российско-Белорусского центра аналоговой микросхемотехники/ Под ред. Крутчинский С.Г., Чибизов Д.Г. и др. - Шахты 2004 г.

2. Прокопенко Н.Н. Нелинейная активная коррекция в прецизионных налоговых микросхемах.- Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ,2000.-224с.

3. Крутчинский С.Г. Структурный синтез аналоговых электронных схем. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ. 2001 г.

4. Крутчинский С.Г. Структурный синтез прецизионных электронных усилителей сборник трудов Международной НПС «Проблемы современной аналоговой микросхемотехники». - Шахты, 2001.- с 3-20 с

А.Ю. Молчанов ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

При управлении энергетическим объектом (парогенератором, энергоблоком тепловой электростанции и т. п.) возникают задачи оптимизации функционирования объекта. При этом работа энергетического объекта в оптимальном режиме дает значительный экономический эффект. Для решения этих задач могут быть использованы системы автоматической оптимизации (САО), которые в процессе функционирования находят и поддерживают оптимальные параметры функционирования энергетического объекта. [1]