Основные параметры и уравнения базовых схем включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом Н.Н. Прокопенко, Н.В. Бутырлагин, - презентация

1 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,

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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 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

15 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

16 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

17 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