Прецизионные сенсорные интерфейсы для смешанных СнК Григорий Альбертович Свизев ТТИ ЮФУ, МНТЦ «МикАн» Таганрог

Введение Актуальность работы (основные тезисы и предпосылки): Необходимость создания и интеграции прецизионных аналоговых интерфейсов (АИ) в смешанные СнК и СвК для различных систем управления, диагностики и сбора данных; Основные требования к АИ: высокая точность; достаточные частотные и скоростные свойства; экономичность; отказоустойчивость и самодиагностика; оценка производной измеряемой величины; отказ от дорогостоящих прецизионных технологий и функциональных настроек.

Цель работы: создание инструментального усилителя (ИУ) с высокими метрологическими показателями и реализация на его основе аналогового интерфейса, удовлетворяющего представленным выше требованиям. Основные решаемые задачи: исключение из структуры ИУ прецизионных резисторов за счёт его реализации на основе мультидифференциального операционного усилителя (МОУ); минимизация коэффициента передачи синфазного напряжения МОУ; минимизация ЭДС смещения МОУ; создание аналогового интерфейса на базе полученного ИУ.

Преимущества реализации ИУ на базе МОУ Рис. 1. Стандартная реализация ИУ Рис. 2. ИУ на базе МОУ

Максимизация Коссн диф. каскадов ОУ и МОУ Рис. 3. Структура ДК ОУ или МОУ с компенсирующей ОС Без обратной связи:С обратной связью:Эффективность ОС:

Минимизация ЭДС смещения ОУ и МОУ Выводы: для минимизации ЭДС смещения необходимо: дифференциальная структура всех каскадов; режимная идентичность плеч отдельных каскадов и идентичность их Ксн; введение специальных режимных обратных связей в выходной каскад. Рис. 4. Структура 3-каск. ОУ (МОУ)

Погрешности элементов (mismatch) Возникают вследствии случайных процессов во время производства, приводящих к погрешностям геометрий и легирования. Особо нежелательна неидентичность элементов. Способы борьбы mismatch: Увеличение размеров элементов; Оптимизация топологии кристалла; Изменение архитектуры устройства; Различные подстройки и коррекции; Оптимизация режимов работы (иногда). Рис. 5. Примеры коррекции ЭДС смещения а) б)

Результаты моделирования* МОУ * Моделирование проводилось в среде Cadence Virtuoso

Принципиальная схема аналогового интерфейса R t0 – сопротивление терморезистора при Δt = 0, α R – его температурный коэффициент

Результаты моделирования* аналогового интерфейса * Моделирование проводилось в среде Cadence Virtuoso

Заключение Потенциальные преимущества разработок над аналогами: Инструментальный усилитель на базе МОУ: Исключение дорогостоящих прецизионных технологий и функциональных настроек; Потенциально уменьшенное (до 3-х раз) энергопотребление и компонентные затраты; Реализация на базовом уровне (КМОП) SiGe техпроцесса SGB25VD; Возможность интеграции в смешанные СнК и СвК; Высокие метрологические показатели. Прецизионный сенсорный интерфейс на базе МОУ: Высокие метрологические показатели; Экономичность; Наличие ограничителя спектра, повышающего точность последующего АЦ-преобразования; Аналоговая оценка производной измеряемой величины с высокой точностью.