Мультидифференциальные операционные усилители напряжений и токов с активной отрицательной обратной связью Пахомов Илья Викторович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Развитие электронной компонентной базы (ЭКБ) является одним из приоритетов межведомственной программы Правительства России «Национальная технологическая инициатива» до 2035 года [].

Актуальность диссертации связана с необходимостью расширения номенклатуры аналоговых микросхем для устройств автоматики и приборостроения с новыми функциональными свойствами и улучшенными характеристиками.

Классические операционные усилители (ОУ) хорошо исследованы и широко используются в устройствах автоматики. Однако, из-за ряда известных ограничений ОУ, связанных с особенностями структуры, сегодня ведется активный поиск других альтернативных активных элементов, которых уже разработано более 150 типов. Используя эти новые активные преобразователи сигналов для аналогового проектирования, разработчики аналого-цифровых устройств приобрели сегодня новые возможности, которые отсутствовали в рамках классической схемотехники. К числу таких перспективных элементов, являющихся одним из векторов развития аналоговой ЭКБ, относится мультидифференциальный операционный усилитель (МОУ), имеющий ряд неоспоримых преимуществ [7]. К их числу следует отнести [1]: возможность работы без резисторов отрицательной обратной связи (ООС); более высокое быстродействие; простоту построения идентичных инвертирующих и неинвертирующих схем; высокое входное сопротивление, не зависящее от резисторов ООС; хорошее ослабление синфазного сигнала в основных схемах включения и др.

Достаточно перспективно использование МОУ в инструментальных усилителях [7] (ИУ), например, для работы с датчиками мостового типа. Большой практический интерес представляют звенья активных фильтров на нескольких МОУ, так как такие схемы оказываются более высокочастотными при идентичном энергопотреблении. МОУ используются в ЦАП и АЦП, в акселерометрах, управляемых усилителях, преобразователях «напряжение-ток», схемах интегрирования и дифференцирования сигналов, перемножителях напряжений, управляемых резисторах, модуляторах, дифференциальных интеграторах и т.д.

Однако, кажущаяся простота применения МОУ в устройствах автоматики требует дальнейшего развития теоретических основ их проектирования и схемотехники, обеспечивающей более высокое усиление по напряжению, малый нулевой уровень и повышенное ослабление синфазных сигналов. В ином случае, эффективность применения МОУ становится виртуальной и не дает желаемого результата в сравнении с классическими ОУ [1].

Учитывая, что в России МОУ не выпускаются, для оперативного решения задач импортоза-мещения и создания новой техники, при проектировании МОУ перспективно применение базовых матричных (БМК) [2,8] и структурных (БСК) [3,9] кристаллов, в том числе радиационно-стойких (АБМК_1.3, АБМК_1.4, АБМК_1.7, АБМК_2.1, MH2XA010).

В диссертации рассматриваются проблемы проектирования мультидифференциальных усилителей напряжений и токов с активной отрицательной обратной связью [1-70].

Степень разработанности темы. Основы теории мультидифференциальных операционных усилителей заложены в 1987-2005 гг. в трудах E. Sackinger, W. Guggenbuhl, M. Ismail, S.-C. Huang, S.R. Zarabadi, F. Larsen. Новые результаты, полученные в последние годы в этом направлении, были представлены в работах С.Г. Крутчинского, Н.Н. Прокопенко, А.Е. Титова и др. В области токовых усилителей и токовых преобразователей сигналов следует отметить публикации B. Gilbert, E. Seevinck, B. Hart, A. Kemp, C. Toumazou, F. Lidgey, D. Haigh, P. Allen, Y. Enab, F. Zaki, M. Abuel-ma’atti, N. Knachab, A. Andreou, K. Boahen, P. Pouliquen, F. Centurelli, R. Luzzi, M. Oliviery, A. Trifi-letty, A. Lechner, Л.И. Волгина, В.И. Анисимова, Н.Н. Прокопенко, Г.Н. Абрамова, В.В. Филаретова и др.

Объектом исследования является аналоговая электронная компонентная база систем автоматики и управления.

Предметом исследования являются мультидифференциальные усилители напряжений и токов, а также перспективные схемы их включения в аналоговых интерфейсах.

Цель исследования – разработка структурных и схемотехнических методов, приемов и методик проектирования мультидифференциальных операционных усилителей напряжений и токов с активной отрицательной обратной связью, обеспечивающих улучшение их основных параметров, определяющих погрешности аналоговых интерфейсов в устройствах автоматики (напряжение смещения нуля, коэффициент усиления по напряжению, коэффициент ослабления входных синфазных сигналов, верхняя граничная частота, максимальная скорость нарастания выходного напряжения).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать недостатки классической структуры инструментальных усилителей, а также определить перспективные направления повышения прецизионности ИУ в задачах автоматики;

2. Получить обобщенные уравнения базовых схем МОУ, в том числе без резисторов обратной связи, учитывающие влияние основных параметров их функциональных блоков;

3. Разработать методики расчета ослабления нескольких синфазных сигналов и нулевого уровня в МОУ и основных схемах их включения;

4. Предложить методику проектирования реконфигурируемых неинвертирующих усилителей на основе МОУ с широким спектром коэффициентов передачи (+1, -1, +1.5, -1.5, +2, -2, и т.д.), реализуемых без резисторов обратной связи;

5. Разработать и исследовать схемы включения МОУ в драйверах линии связи, аналоговом мультиплексоре, измерительных мостах, инструментальных усилителях и исследовать их предельные возможности;

6. Разработать и исследовать базовою схемотехнику входных и промежуточных каскадов МОУ, обеспечивающую улучшение (в 510 раз) их основных параметров (коэффициента ослабления входных синфазных сигналов, максимальной скорости нарастания выходного напряжения, коэффициента усиления по напряжению, верхней граничной частоты);

7. Обосновать новые структуры МОУ на основе несимметричных и многоканальных дифференциальных каскадов и предложить методику их проектирования;

8. Разработать и исследовать структуры и схемотехнику мультидифференциальных усилителей токов, дуальных МОУ с потенциальными сигналами.

Методы исследования. В работе используются методы теории цепей. Экспериментальные исследования выполнены на ЭВМ с применением программ моделирования электронных схем PSpice, LTSpice, среды Cadence Virtuoso и высокоточных библиотек моделей активных элементов (технологии XFab, 3КBT, АБМК_1.3, АБМК_1.4, АБМК_1.7, АБМК_2.1 и др.).

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами математического анализа, компьютерным моделированием, публикациями, патентами, апробацией работы на международных и всероссийских научно-технических конференциях, выставках инновационных работ, а также экспериментальными исследованиями микросхем MH2XA010-02, ИС-3, ИС-8, ИС-11.

Научная новизна диссертации состоит в теоретическом обосновании созданных на уровне изобретений новых структурных и схемотехнических методов, приемов и методик улучшения основных параметров мультидифференциальных операционных усилителей напряжений и токов с активной отрицательной обратной связью.

В рамках диссертации получены следующие научные результаты:

9. Исследованы недостатки классической структуры инструментальных усилителей, что позволило определить перспективные направления повышения прецизионности ИУ для задач автоматики.

10. Получены обобщенные уравнения МОУ и основных схем их включения, учитывающие влияние неодинаковых проводимостей передачи входных дифференциальных каскадов МОУ, эквивалентного сопротивления в высокоимпедансном узле, коэффициента передачи буферного усилителя. Это позволило обосновать систему мер по улучшению параметров аналоговых интерфейсов на базе МОУ;

11. На основе теории автономного многополюсника разработаны эквивалентные схемы МОУ и методики расчета ослабления синфазных сигналов с несколькими входными синфазными напряжениями и нулевого уровня МОУ;

12. Предложена методика проектирования реконфигурируемых неинвертирующих усилителей на основе МОУ, реализуемых без резисторов обратной связи, с широким спектром коэффициентов передачи (+1, -1, +1.5, -1.5, +2, -2, и т.д.);

13. Разработаны и исследованы новые и перспективные схемы включения МОУ в схемах драйверов линии связи, многофункциональном аналоговом мультиплексоре потенциальных сигналов, измерительных мостах с МОУ и др., показывающие преимущества предлагаемых схемотехнических решений в сравнении с классическими ОУ;

14. Разработаны схемотехнические методы и приемы улучшения основных параметров входных и промежуточных каскадов МОУ (коэффициента ослабления входных синфазных сигналов, максимальной скорости нарастания выходного напряжения, коэффициента усиления по напряжению, верхней граничной частоты, нулевого уровня);

7. Обоснованы новые структуры МОУ на основе несимметричных и многоканальных дифференциальных каскадов без классических источников опорного тока, разработана методика их проектирования;

8. Показаны перспективы применения активной отрицательной обратной связи в дифференциальных усилителях тока и основных схемах их включения. Созданы дуальные классическим дифференциальным усилителям напряжения дифференциальные усилители тока, обеспечивающие усиление дифференциального сигнала и подавление входной синфазной составляющей.

Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Обобщенные уравнения МОУ и основных схем их включения;

2. Эквивалентные схемы МОУ и методики расчета ослабления нескольких синфазных сигналов и нулевого уровня и в аналоговых интерфейсах на основе МОУ;

3. Методика проектирования реконфигурируемых МОУ с широким спектром коэффициентов передачи без резисторов обратной связи;

4. Схемы включения МОУ в драйверах линии связи, многофункциональных аналоговых мультиплексорах потенциальных сигналов, измерительных мостах и др.;

5. Схемотехнические методы и приемы улучшения (в 510 раз) основных параметров входных и промежуточных каскадов МОУ: верхней граничной частоты (по уровню -3 дБ); коэффициента ослабления входных синфазных сигналов; максимальной скорости нарастания выходного напряжения; коэффициента усиления по напряжению; напряжения смещения нуля;

6. Несимметричные и многоканальные дифференциальные каскады без классических источников опорного тока и их схемы включения в МОУ;

7. Новые структуры дифференциальных и мультидифференциальных усилителей тока с активной отрицательной обратной связью по напряжению.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в создании и теоретическом обосновании комплекса новых структурных и схемотехнических методов и приемов, выполняющих задачу улучшения основных качественных показателей МОУ и аналоговых интерфейсов автоматики на их основе.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы получили одобрение на следующих конференциях международного уровня: EDM 2017 (Novosibirsk, 2017 г.), EWDTS (Rostov-on-Don, Russia, 2013 г.; Kiev, Ukraine, 2014 г.; Batumi, Georgia, 2015 г.; Yerevan, Armenia, 2016 г.); CICSyN (Tetovo, Republic of Macedonia, 2014 г.); TELFOR (Belgrade, Serbia, 2014 г.), SIBCON (Omsk, 2015г.; Moscow, 2016 г.; Astana, Kazakhstan, 2017 г.), RADECS (Moscow, 2015 г.); ICSES 2016 (Krakow, Poland, 2016 г.), «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (г. Анапа, 2013 г.; г. Ростов-на-Дону, 2015 г.), «Проблемы современной аналоговой микросхемотехники» (г. Шахты, 2012-2016 гг.); всероссийского уровня: «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» – МЭС (г. Зеленоград, 2012, 2014 гг.), АПФФЭ (г. Ульяновск, 2015 г.).

Диссертация выполнена в соответствии с плановыми исследованиями ДГТУ в рамках проекта Минобрнауки РФ № 8.374.2014/К "Разработка и исследование нового поколения архитектурных, схемотехнических и топологических методов расширения диапазона рабочих частот аналоговых микросхем на основе перспективных технологических процессов и их практические приложе-ния"(2014-2016 гг.), а также проекта РНФ №16-19-00122.

Результаты диссертационной работы использованы в научно-практической деятельности ведущих профильных предприятий АО «НПП Пульсар» (г. Москва), ОАО «МНИПИ» (Минский научно-исследовательский приборостроительный институт).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 70 научных работах, из них 23 патента РФ, 46 статей, в том числе 25 – в изданиях Scopus и Web of Science, 9 – в изданиях, из перечня ВАК РФ, соответствующих профилю специальности 05.13.05, 12 статей в других изданиях и 1 монография.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 154 наименования и 1 приложения. Основной текст работы изложен на 208 страницах машинописного текста, поясняется 195 рисунками и 9 таблицами.