Основные параметры и уравнения базовых схем включения мульти дифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом Н.Н. Прокопенко, Н.В. Бутырлагин, И.В. Пахомов Россия, Донской государственный технический университет,

ВВЕДЕНИЕ Современная теория электронных схем предлагает для построения микроэлектронных устройств преобразования сигналов более 50 различных типов активных элементов (АЭ) [1]. Среди них наиболее известны операционные усилители (ОУ). Многие из представленных в [1] АЭ имеют «экзотическое» применение, что обусловлено иногда недостаточной популяризацией наиболее выгодных для них областей использования. К таким АЭ относятся и мульти дифференциальные операционные усилители (МОУ), которые, несмотря на ряд уникальных свойств, достаточно редко применяются в микроэлектронных изделиях. Это связано с тем, что МОУ является относительно новым функциональным узлом аналоговой микросхемотехники [2] и имеет специфические схемы включения. Достаточно перспективно использование МОУ в инструментальных усилителях [3], например, для работы с датчиками мостового типа. Синтез современных устройств частотной селекции в ряде случаев существенно упрощается при наличии МОУ [4]. Большой практический интерес представляют звенья активных фильтров на нескольких МОУ [3-11], так как такие схемы оказываются более высокочастотными при идентичном энергопотреблении [4]. МОУ используются в ЦАП и АЦП [12,13], специальных интерфейсах [13,15], в акселерометрах [16], управляемых усилителях [17], преобразователях «напряжение- ток» [18], схемах интегрирования и дифференцирования сигналов [19], перемножителях напряжений, управляемых резисторах, модуляторах, дифференциальных интеграторах [19,10]. 2

О СОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ И СХЕМОТЕХНИКИ МОУ С ОДНИМ ВЫСОКОИМПЕДАНСНЫМ УЗЛОМ Рис. 1. Практическая схема МОУ на основе параллельного включения нескольких ДК (А1, А2) Рис. 2. Функциональная схема перспективного МОУ с высокоимпедансным узлом 1 Рис. 3. Проходная характеристика преобразователей «напряжение-ток» А 1, А 2 МОУ с высокоимпедансным узлом 1 3

Б АЗОВЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ Дифференциальный усилитель разности двух сигналов без резисторов обратной связи Если, то при Когда или получаем соответственно, Рис. 4. Дифференциальный усилитель на основе МОУ Инвертирующий усилитель с Ky=-1 без резисторов обратной связи Рис. 5. Инвертирующий усилитель с Ky=-1 Основные уравнения при,,, где Таким образом, где - модуль коэффициента передачи. В тех случаях, когда,: : 4

Неинвертирующий усилитель напряжения Б АЗОВЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ Рис. 6. Неинвертирующий усилитель Основные уравнения при : где,. Если, то при Входная проводимость схемы рис. 6: Неинвертирующий сумматор двух сигналов Рис. 7. Неинвертирующий сумматор двух сигналов Основные уравнения: и ; В общем случае при 5

О СНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СХЕМОТЕХНИКИ МОУ Быстродействие МОУ Схемы МОУ с рассматриваемой архитектурой потенциально имеют более высокое быстродействие, чем классические ОУ. С учетом [20] можно показать, что скорость нарастания выходного напряжения ( ) схем с МОУ:, где f 1 – частота единичного усиления по петле обратной связи скорректированного МОУ; – диапазон активной работы входных преобразователей «напряжение-ток» А1, А2 (например, ). Таким образом, сформулированные ранее требования к входным каскадам А1, А2 рассматриваемого подкласса МОУ способствуют (в сравнении с классическими ОУ [20] при идентичных f 1 ), повышению в - раз, где. 6

О СНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СХЕМОТЕХНИКИ МОУ Петлевое усиление МОУ в схемах с отрицательной обратной связью. Преобразование токов i 1, i 2 в напряжение живых в схеме рис. 2 ведется на достаточно большом сопротивлении напряжений u вх.1, u вх.2 в напряжение живых, который влияет на петлевое усиление Т>>1.. Это позволяет получить большой коэффициент преобразования В связи с малыми значениями крутизны передачи (g m ) А1, А2 получение больших значений петлевого усиления при, связано, прежде всего, с увеличением эквивалентного сопротивления (R к ) в высокоимпедансном узле. Оно зависит от выходных сопротивлений этих каскадов, а также входного сопротивления буферного усилителя БУ. В этой связи для увеличения R к целесообразно использовать в выходных цепях А1, А2 каскодное включение транзисторов. Это позволит увеличить R к до уровня сопротивления r к закрытых коллекторных переходов выходных транзисторов А1, А2, и, следовательно, получить. Необходимо также принимать меры для минимизации входной проводимости БУ. Заметим, что полевые транзисторы в каскодных выходных цепях подсхем А1, А2 окажут положительное влияние на эквивалентное сопротивление R к. 7

О СНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СХЕМОТЕХНИКИ МОУ Рис. 8. Метод повышения выходного сопротивления R к в высокоимпедансном узле 1 где - коэффициенты усиления по току эмиттера i-го транзистора Для получения в МОУ на биполярных транзисторах эквивалентных выходных сопротивлений можно использовать схемотехнику, рассмотренную в [21]. Так, численное значение R к в схеме рис. 8 определяется уравнением Это позволяет увеличить петлевое усиление,. в МОУ. 8

О СНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СХЕМОТЕХНИКИ МОУ Дрейф нуля МОУ Точностные характеристики рассмотренных архитектур на основе МОУ (в частности напряжение смещения нуля U см ), несколько хуже, чем у обычного ОУ. Действительно, расширение диапазона активной работы входных каскадов А1, А2 сопровождается ухудшением коэффициента усиления по напряжению (K u ) этих каскадов [20,22]. В свою очередь уменьшение K u увеличивает приведенный ко входу дрейф э.д.с. смещения нуля, обусловленный влиянием второго каскада МОУ. Для разрешения этого противоречия рекомендуется использовать предлагаемые в [22] методы минимизации U см, связанные с введением слабой токовой асимметрии в структуру входных каскадов А1, А2. В работе [3] рассмотрены инструментальные усилители (ИУ) на базе двух МОУ. При выполнении ряда параметрических условий в таких ИУ минимизируется дрейф нуля [3]. В практическом отношении это позволяет решить важную задачу построения прецизионных аналоговых интерфейсов для мостовых резистивных датчиков, функционирующих в широком температурном диапазоне, а также использовать многоразрядные АЦП с менее стабильным опорным напряжением [3]. 9

Выводы Выполненный выше анализ, а также данные различных литературных источников показывают, что мульти дифференциальный операционный усилитель с высокоимпедансным узлом характеризуется следующими основными свойствами и параметрами: 1. Обладает высокой степенью универсальности, вытекающей из свойств его структуры. МОУ обеспечивает реализацию многих функций, нереализуемых обычными ОУ, либо реализуемых с большими элементными, технологическими или энергетическими затратами. 2. Имеет, как минимум, два идентичных входных дифференциальных каскада (ДК) – один для входных сигналов (ДК1), другой – для сигналов обратной связи (ДК2). Каждый из входных ДК МОУ является интерфейсом для входной дифференциальной цепи и дифференциальной цепи обратной связи (ООС). Это так называемая активная обратная связь. Данная архитектура устраняет прямое взаимодействие между сигналом ООС и входной цепью, которое традиционно вызывает проблемы с деградацией некоторых параметров в схемах на обычных ОУ (входное сопротивление Rвх, коэффициент ослабления входных синфазных сигналов Кос.сф и т.п.). 10

3. Проводимости передачи входных ДК имеют небольшую величину. Это крайне важное ограничение. Оно означает, что входы МОУ способны воспринимать большие дифференциальные напряжения (например, 2÷3 В) и, в отличие от классических ОУ, линейны в широком диапазоне дифференциальных сигналов. Данное обстоятельство является обязательным условием минимизации нелинейных искажений сигналов, подаваемых на дифференциальные входы ДК1 и ДК2 в устройствах на основе МОУ. Таким образом, принципиальное отличие МОУ от классического ОУ состоит в том, что диапазон линейной работы их входных каскадов (ДК1, ДК2), который характеризуется напряжением ограничения (Uгр), должен быть достаточно широким, например, В то же время у классического ОУ на биполярных транзисторах 4. Максимальные синфазные напряжения на входах универсального МОУ также должны быть большими. Таким образом, все четыре входных вывода МОУ с двумя ДК могут находиться при существенно разных потенциалах. Поэтому понятие «виртуального потенциального нуля», которое используется для обычных ОУ, для МОУ неприменимо. Когда к дифференциальным входам ДК1, ДК2 приложены одинаковые по величине, но противоположные по знаку дифференциальные напряжения, выходные токи ДК1 и ДК2 под действием обратной связи компенсируют друг друга в узле суммирования. То есть в высокоимпедансном узле 1 происходит алгебраическое суммирование выходных токов входных ДК1, ДК2, причем сумма этих токов в установившемся режиме равна нулю. В этом смысле узел 1 можно рассматривать как «виртуальный токовый ноль». 11

5. Потенциально МОУ имеет значительно лучшие параметры по быстродействию (максимальной скорости нарастания выходного напряжения, ) по сравнению с классическим ОУ. Это объясняется тем, что в нем минимизированы нелинейные режимы работы входных каскадов, ухудшающие. Данное качество МОУ связано с обязательным построением ДК1 и ДК2 на основе дифференциальных усилителей с местной отрицательной обратной связью, которая реализуется за счет введения сравнительно высокоомных резисторов Rэ в эмиттерные цепи транзисторов каждого дифференциального каскада МОУ (ДК1, ДК2). 6. Динамические характеристики для некоторых схем включения МОУ (например, инвертирующий и неинвертирующий инструментальные усилители) одинаковы (например, Rвх, Кос.сф и др.). Это выгодно отличает МОУ от классических усилителей с ООС по напряжению и ООС по току. В МОУ без резисторов обратной связи обеспечиваются симметричные характеристики как с коэффициентом передачи Ky=- 1, так и с коэффициентом передачи Ky=+1. Это позволяет переключать дифференциальные входы «сигнального» ДК с целью изменения полярности (фазы) усиления. 7. МОУ имеет во многих схемах включения, в т.ч. без резисторов обратной связи, низкую чувствительность параметров усиления к сопротивлению источника сигнала, т.к. его высокое Rвх определяется входным сопротивлением «сигнального» ДК1 с глубокой местной отрицательной обратной связью, которая вводится резистором Rэ. 8. В связи с особенностями архитектуры МОУ имеет ряд уникальных свойств. Основным является то, что возможно множество схем включения без резисторов обратной связи. Внешние резисторы для многих включений МОУ – не требуются. 12

9. Традиционное построение входных каскадов МОУ – на основе дифференциальных усилителей с местной резистивной отрицательной обратной связью (Rэ), подчеркивает влияние второго каскада МОУ на напряжение смещения нуля (Uсм). Это связано с тем, что увеличение Rэ до единиц (иногда до десятков килом) приводит к уменьшению проводимости передачи ДК1 и ДК2 и увеличивает вклад в Uсм второго каскада. 10. Одна из проблем построения широкополосных МОУ с двухкаскадной архитектурой – повышение эквивалентного сопротивления в высокоимпедансном узле до единиц-десятков мегаом. Это позволяет при малых проводимостях передачи входных ДК получить большие значения петлевого усиления, определяющего погрешности многих схем включения МОУ. 11. Наличие емкости коррекции Ск в МОУ приводит к появлению на АЧХ полюса и она становится похожей на АЧХ обычного ОУ. Амплитудно-частотная характеристика МОУ с одним высокоимпедансным узлом и методы ее коррекции такие же, как в классическом ОУ. 12. Схемотехника МОУ по элементным затратам, а также промежуточным и выходным каскадам, практически не отличается от схемотехники классических ОУ. 13. Наличие у МОУ как минимум двух входных дифференциальных каскадов (ДК1, ДК2) позволяет во многих задачах преобразования сигналов уменьшить общий ток потребления микросхемы, который в основном связан с выходным и промежуточным каскадами. 13

14. Специфика работы входных дифференциальных каскадов МОУ (широкий диапазон допустимых входных дифференциальных напряжений) позволяет в ряде случаев избежать включения на их входах защитных нелинейных ограничителей напряжений (например, встречно-параллельно включенных p-n переходов). В конечном итоге это уменьшает эквивалентную входную емкость МОУ, расширяет его диапазон рабочих частот в основных схемах включения. 15. Одно из перспективных направлений практического использования МОУ – инструментальные усилители. Практическую значимость вышеназванных свойств МОУ трудно переоценить. Это позволяет сделать важный вывод – при планировании номенклатуры перспективной элементной базы для аналого-цифровых интерфейсов и датчиковых систем необходимо предусмотреть выпуск (в рамках программ импортозамещения) российских МОУ со схемотехникой нового поколения. Полученные в статье основные уравнения МОУ позволяют выполнять сравнительно простые аналитические расчеты как известных, так и новых схем их включения. 14

Л ИТЕРАТУРА 1. Dalibor Biolek, Raj Senani, Viera Biolkova. Active Elements for Analog Signal Processing: Classification, Review, and New Proposals // Radioengineering Vol. 17. No. 4. Pp Säckinger E., Guggenbühl W. A versatile building block: the CMOS differential difference amplifier // IEEE J. Solid-State Circuits Vol. SC-22. Pp Крутчинский С.Г. и др. Прецизионные аналоговые интерфейсы на базе двух мульти дифференциальных операционных усилителей // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», Крутчинский С.Г. Принцип собственной компенсации в прецизионных RС-фильтрах. Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», с. 5. Singh, В., Singh, A. K., & Senani, R. A new universal biquad filter using differential difference amplifiers and its practical realization // Journal of Analog Integrated Circuits and Signal Processing Vol. 75. Pp Viera Biolkova, Zdenek Kolka, and Dalibor Biolek. Dual-Output All-Pass Filter Employing Fully-Differential Operational Amplifier and Current-Controlled Current Conveyor // 7th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO), Pp. II II Shu-Chuan Huang. A Wide Dynamic Range CMOS Differential Difference Amplifier Design with Application to Continuous-time Filters. Ohio State University p. 8. Stornelli V., Pantoli L., Leuzzi G., Ferri G. Fully differential DDA-based fifth and seventh order Bessel low pass filters and buffers for DCR radio systems // Analog Integrated Circuits and Signal Processing Vol. 75. No 2. Pp

11. Крутчинский С.Г., Старченко Е.И. Мультидифференциальные операционные усилители и прецизионная микросхемотехника // Электроника и связь / Под ред. Ю.И. Якименко T С. 101– Shu-Chuan Huang, Mohammed Ismail. Design of a CMOS Differential Difference Amplifier and its Applications in A/D and D/A Converters // IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems Pp Theory and Monolithic CMOS Integration of a Differential Difference Amplifier : A dissertation submitted to the Swiss Federal Institute of Technology Zurich for the degree of Doctor of Technical Science / Eduard Säckinger. Hartung-Gorre Verlag, p. 14. Cilingiroglu U., Hoon S.K. An accurate self-bias threshold voltage extractor using differential difference feedback amplifier // IEEE International Symposium on Circuits and Systems Vol. 5. Pp. V-209 – V Shin-Il Lim, In-Sub Choi, Han-Ho Lee. Biochemical Sensor Interface Circuits with Differential Difference Amplifier // IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems Pp Toker, A., & Özoğuz, S. Novel all-pass filter section using differential difference amplifier // AEU - International Journal of Electronics and Communications Vol. 58. No. 2. Pp Mahmoud S.A., Soliman A.M. The Differential Difference Operational Floating Amplifier: A new block for analog signal processing in MOS technology // IEEE Trans. On CAS – II Vol. 45. No. 1. P

20. Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов. Л.: с. 21. Прокопенко Н.Н., Ковбасюк Н.В. Архитектура и схемотехника аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией импедансов. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, с. 22. Прокопенко Н.Н., Серебряков А.И. Архитектура и схемотехника операционных усилителей. Методы снижения напряжения смещения нуля в условиях температурных и радиационных воздействий. Изд-во: LAP Lambert Academic Publishing c 17. Kai-Wen Yao, Wei-Chih Lin, Cihun-Siyong Alex Gong, Yu-Ying Lin, and Muh-Tian Shiue. A Differential Difference Amplifier for Neural Recording System with Tunable Low-Frequency Cutoff // IEEE International Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits Pp S.-C. Huang. M. Ismail, and S. R. Zarabadi. A wide range differential difference amplifier: A basic block for analog signal processing in MOS technology // IEEE Transactions on Circuits and Systems-II: Analog and digital signal processing. May Vol. 40. No. 5. Pp Kewei Yang, Andreas G. Andreou. A Multiple Input Differential Amplifier Based on Charge Sharing on a Floating-Gate MOSFET // Analog Integrated Circuits and Signal Processing Vol. 6. Issue 3. Pp Jiangfeng Wu, Gary K. Fedder, and L. Richard Carley. A Low-Noise Low-Offset Capacitive Sensing journal of solid-state circuits. Amplifier for a May Vol. 39. No. 5. Pp Monolithic CMOS MEMS Accelerometer // IEEE 17