научная статья по теме АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ - АППАРАТНАЯ ПОДДЕРЖКА ОБРАБОТКИ НЕПРЕРЫВНЫХ СИГНАЛОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ - АППАРАТНАЯ ПОДДЕРЖКА ОБРАБОТКИ НЕПРЕРЫВНЫХ СИГНАЛОВ»

ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ

Измерения Контроль

Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ

Главный pедактоp — д-p техн. наук, п|)офессор В. Ю. Кнеллеp

УДК 621.3.049.77

АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ — АППАРАТНАЯ ПОДДЕРЖКА ОБРАБОТКИ НЕПРЕРЫВНЫХ СИГНАЛОВ

ANALOG MICROCIRCUITS — HARDWARE SUPPORT TO THE CONTINUOUS SIGNALS TREATMENT

Морозов Виталий Пантелеймонович

д-р техн. наук, вед. научн. сотрудник E-mail: morbe@mail.ru

Бабаян Роберт Рубенович

д-р техн. наук, зав. лабораторией E-mail: robab@ipu.rssi.ru

Институт проблем управления РАН им. В. А. Трапезникова, Москва

Аннотация: Рассмотрены свойства, характеристики, применения и направления развития аналоговых интегральных схем для обработки непрерывных сигналов в управляющих и измерительных системах.

Ключевые слова: интегральные схемы, датчики, аналоговый интерфейс, программируемость, реконфигурация.

Morozov Vitaly P.

Ph. D. (Tech.), Leading Researcher E-mail: morbe@mail.ru

Babayan Robert R.

Ph. D. (Tech.), Head of Laboratory E-mail: robab@ipu.rssi.ru

V. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences, Moscow

Abstract: The properties, performances, applications and development trends of analog microcircuits for continuous signals in digital control and measuring systems are discussed.

Keywords: microcircuits, sensors, analog interface, programmabili-ty, reconfiguration.

ВВЕДЕНИЕ

В процессах функционирования большинства систем промышленной автоматики и управления, контрольно-измерительной аппаратуры, медицинского оборудования и ряда других устройств участвуют реальные источники сигналов, в основном, ПФВ (первичные преобразователи физических величин по терминологии ГОСТ Р 51086—97 [1]). Получаемые от них аналоговые сигналы подвергаются преобразованию физической природы участвующих электрических величин, масштабированию, фильтрации, коммутации и другим ви-

дам предварительной обработки (conditioning), производимым обычно без изменения формы представления. По этой причине аналоговые компоненты занимает важное место в современных электронных системах сбора и обработки информации. Однако область их применения на современном этапе развития ограничивается, главным образом, перечисленными выше вспомогательными операциями над относительно медленно меняющимися сигналами во входных периферийных частях (front-end) промышленных и бытовых управляющих и измерительных систем, являющихся преимущественно цифровыми.

Отметим, что в литературе в состав устройств аналоговой обработки принято включать электронные устройства и элементы самого различного назначения, в том числе отдельные полупроводниковые приборы, отдельные усилительные каскады, генераторы, импульсные источники питания и т. д. [2, 3]. Но далее, рассматривая современное состояние компонентной базы и схемотехники, поддерживающих наиболее масштабные применения аналоговой электроники, будем иметь в виду, в основном, монолитные интегральные схемы (ИС), предназначенные для обработки непрерывных сигналов аналоговыми методами. Выходные сигналы таких ИС в аналоговой или, после дискретизации, в цифровой форме используются затем с целью измерений или управления.

Линейные аналоговые и аналого-дискретные компоненты перечисленных выше назначений наиболее широко представлены на рынке в виде различных самостоятельных изделий, таких как функциональные ИС для массовых применений в корпусах из пластмассы, или для более жестких условий эксплуатации — в металлокерамических корпусах. Создаются и относительно малотиражные специализированные ИС, например, для решения ряда задач в космических системах [4], для биоимпедансных измерений [5], регистрации элементарных частиц [6]. Небольшими партиями выпускаются заказные или полузаказные аналоговые ИС, в том числе, на основе базовых матричных кристаллов, внутри которых в процессе изготовления по частным техническим требованиям формируются требуемые связи. Для выполнения функций, трудно реализуемых в однокристальном интегральном исполнении, выпускаются гибридные ИС (ГИС) из отдельных бескорпусных интегральных и дискретных компонентов, размещенных на общей подложке и заключенных в общий корпус.

Обширную группу интегральных функциональных узлов для обработки непрерывных сигналов составляют аналоговые подсистемы в анало-го-дискретных преобразовательных устройствах, либо самостоятельных, либо входящих в состав ИС микропроцессоров.

Основные направления развития аналоговой элементной базы — технологическое и схемотехническое имеют во многом совпадающие цели, достигаемые и собственными методами, и взаимной поддержкой. Основные из этих целей — миниатюризация, расширение набора выполняемых

функций, повышение надежности, удешевление тиражирования, продление жизненного цикла.

Одним из направлений, которое позволяет выйти на качественно новый уровень в реализации упомянутых целей, является разработка следующих поколений компонентов интегральной микроэлектроники, в частности, микроэлектромеханических преобразователей, называемых обычно системами (МЭМС) [7].

Целью данной работы является рассмотрение с точки зрения пользователя характеристик, особенностей применения и направлений развития современных аналоговых интегральных схем для обработки непрерывных сигналов.

РАЗВИТИЕ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ

Базовый элемент устройств обработки аналоговых сигналов — операционный усилитель (ОУ) всегда служил и служит разработчикам платформой для тестирования как новых полупроводниковых технологий, так и структурно-схемных решений. В итоге удается обеспечить постоянное снижение погрешностей выполняемых с помощью ОУ линейных и нелинейных аналоговых операций путем улучшения усилительных, шумовых, частотных свойств и минимизации энергопотребления. Каждое из этих свойств характеризуется определенным набором параметров. Подробную классификацию ОУ по сочетаниям основных из перечисленных свойств для групп выпускаемых серийно изделий можно найти в каталогах одного из наиболее мощных в мире производителей аналоговых компонентов — фирмы Analog Devices [8]. Сведения о современных полупроводниковых технологиях, используемых этой компанией в производстве аналоговых компонентов, некоторые разъяснения и переводы терминов приведены в [9]. Широкая номенклатура ОУ присутствует среди продукции компаний Texas Instruments [10], MAXIM, Linear Technology и ряда других

Помимо освоения новых технологий существенному улучшению важнейших статических точностных параметров интегральных ОУ (сдвиг нуля по напряжению и его температурный дрейф, входной ток) способствовал также перевод структур с модуляцией-демодуляцией (chopping) и периодической компенсацией дрейфа нуля (auto-zeroing), обеспечивающей более высокие частотные свойства усилителя в целом, на полностью интегральное исполнение. В итоге появилась группа измерительных (instrumental) ОУ "с нулевым

дрейфом". Некоторые статические параметры и частоты единичного усиления fT (unity gain bandwidth) при оговоренных в технической документации условиях — питающих напряжениях и др. для нескольких типов ОУ из этой группы приведены в табл. 1. Необходимо, однако, учитывать возможный разброс параметров между отдельными образцами ОУ одного типа (соответствующие данные для серийных изделий обычно доступны). По этой причине, а также в зависимости от диапазонов изменения температуры и питающих напряжений, в которых предусматривается работа ОУ, реальные параметры усилителей в системе могут заметно отличаться от приведенных типовых значений.

Важнейшее преимущество ОУ с "нулевым дрейфом" с точки зрения "идеальности" усилительных свойств — крайне малая величина шумов вида 1/f (шумов с нарастающей в области нижних частот спектральной плотностью) и, одновременно, высокие значения коэффициентов подавления синфазного сигнала и усиления на постоянном токе. Тем не менее, частотные свойства ОУ данной группы оказываются недостаточными для многих применений.

По мере улучшения точностных параметров измерительных ОУ все более заметный вклад в погрешности обработки сигналов начинают вносить внешние факторы, такие как контактные разности потенциалов, термоЭДС и сопротивления подводящих проводников во входных цепях.

В среднечастотных (СЧ) ОУ с непосредственными связями из группы высокоточных (precision), благодаря уменьшению площади элементов ИС, освоению технологии вертикальных р-п-р-тран-зисторов с высокими усилительными свойствами и ряду схемотехнических приемов, удалось повысить частотуfT до десятков мегагерц (см. табл. 2). Важно, что при этом наклон частотной характеристики вблизи fT обычно не превышает 20 дБ/дек. Соответствующий запас по фазе, обеспечиваемый внутренними корректирующими цепями, позволяет сохранить устойчивость в случае охвата таких ОУ 100 %-ной отрицательной обратной связью даже при значительной емкостной нагрузке и изменении параметров цепи обратной связи (ОС) в широких пределах.

В быстродействующих системах передачи/приема импульсных и видеоданных востребованы ОУ с частотой fT . 50 МГц (ВЧ ОУ) и малым временем установления выходного сигнала (табл. 3).

В отличие от среднечастотных, полосу пропускания таких ОУ принято характеризовать неравномерностью частотной характеристики (в частности, частотой спада коэффициента усиления на 3 дБ или неравномерностью 0,1 дБ при оговоренном коэффициенте передачи К с ОС). Обычно нормируются также фазовая характеристика и время установления выходного сигнала с точностью 0,1...0,001 %, а иногда и разброс этих параметров между отдельными ОУ в одном корпусе. На частотные свойства ВЧ ОУ в системе сильно влияют паразитная емкость нагрузки и конфигурация пе-

Таблица 1

Основные параметры ОУ с "нулевым" дрейфом

Тип ОУ Число ОУ в корпусе Входной ток, пА Сдвиг нуля, мкВ Дрейф нуля, нВ/°С Частота /Г, МГц

ADA4528-2 2 200 0,3 2 4

ADA4638-1 1 45 0,5 50 1,1

AD8574 4 30 1 5 1

AD8638 1 1 3 4 1,3

Таблица 2

Основные параметры среднечастотных ОУ

Тип ОУ Число ОУ в корпусе Входной ток, пА Сдвиг нуля, мкВ Дрейф нуля, мкВ/°С Частота /Г, МГц Скорость нарастания, В/мкс

ADA4610-4 4 1500 800 8 10 21

AD825 1 40 2000 10 23 125

AD4841-4 4 3-106 300 1 3

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»