МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 3, с. 228-233
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ МИКРОСХЕМЫ
УДК 621.382
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА
УСИЛИТЕЛЯ ФОТОСИГНАЛОВ © 2015 г. О. В. Дворников, В. А. Чеховский1, В. Л. Дятлов, Н. Н. Прокопенко2
ОАО "Минский научно-исследовательский приборостроительный институт" Национальный научно-учебный центр физики частиц и высоких энергий Белгосуниверситета 2Донской государственный технический университет E-mail: prokopenko@sssu.ru Поступила в редакцию 27.08.2014 г.
На аналоговом базовом матричном кристалле АБМК-1.3 создана интегральная микросхема (ИС) для обработки фотосигналов кольцевого лазера, являющегося чувствительным элементом блока лазерных гироскопов. ИС содержит преобразователь ток—напряжение, фильтр нижних частот (ФНЧ) и полосовой фильтр (ПФ). Коэффициент преобразования входной ток — выходное напряжение (Кш) и полоса пропускания по уровню —3 дБ (А/—3дБ) ФНЧ и ПФ регулируются изменением номиналов внешних ^С-элементов. Типовые параметры ФНЧ Кш = 0.2 В/мкА, А/-3дБ = 0—15 Гц, ПФ — Кш = 1.2 В/мкА, АТ-3дБ = 15 Гц—1.6 МГц. Приводятся схемные решения отдельных каскадов микросхемы и экспериментальные характеристики.
Ключевые слова: усилитель фотосигналов, бесплатформенные инерциальные навигационные системы, кольцевой лазер, лазерный гироскоп, фотодиод, фильтр нижних частот, полосовой фильтр.
БО1: 10.7868/80544126915020039
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее перспективных направлений развития навигационных систем является создание бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), прежде всего, БИНС на основе лазерных гироскопов, которые характеризуются малыми массой и габаритами, низким потреблением электроэнергии и возможностью функционирования в жестких условиях эксплуатации [1].
Ключевым элементом БИНС на основе лазерных гироскопов является кольцевой лазер (КЛ), который применяется в качестве дифференциального датчика угловых перемещений. Существующий технологический разброс характеристик КЛ обуславливает необходимость создания адаптивных электронных устройств, компенсирующих влияние различия параметров КЛ на работу системы [2] и, таким образом, увеличивающих выход годных и уменьшающих стоимость лазерных БИНС. Одним из блоков адаптивной БИНС является, так называемый, усилитель фотосигналов (УФС), который с помощью фотодиодов, например, ФД-20-33К, ФД-20-31, осуществляет считывание оптических сигналов с КЛ, преобразует ток фотодиодов в напряжение, разделяет постоянную и переменную составляющие сигналов, а также обеспечивает программирование ко-
эффициентов усиления постоянной и переменной составляющих.
Требуемую в УФС обработку сигналов возможно выполнить как с помощью операционных усилителей (ОУ) общего применения, так и специализированных микросхем интерфейсов датчиков (ЛЭ8555, ЬЫР91050). Однако для уменьшения габаритов, энергопотребления и оптимизации работы УФС с конкретными фотодиодами целесообразно создание специализированной микросхемы.
Целью данной статьи является рассмотрение схемотехники и параметров микросхемы УФС, предназначенной для обработки сигналов информационных фотодиодов или фотодиодов канала управления периметром КЛ.
Микросхема создана на радиационно-стойком базовом матричном кристалле АБМК-1.3 [3], который изготавливается в филиале "Транзистор" ОАО "ИНТЕГРАЛ" (http://www.integral.by/).
2. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Структура микросхемы УФС и типовая схема ее включения приведены на рис. 1. ИС содержит четыре ОУ и резисторы отрицательной обратной связи (ООС). Внешние конденсаторы Сх, С2, С5,
Ci 10p
OutO
C2 iOp
INP
Cor2
Out0
О W Q ^ ^ g
U2
t
Inpi+
R2
9.2k <=■ -
Cori
Ri
9.2 k
Inp2—
Inp2+ Cor2 Q iB2 g VCC g VEE
U1
INP
EQZ6
eqz8
Inp1+ Outi Unpl-
R3
9.2k
R4
18.4k V"
R5
9.2k
1.25k
C3 20u
C4 10u 20u
R
-7
1.25k
U4
1 Inp4—
Inp4+ Cor4 Q
vCcHS О
R8 9.2k
U3
#Inp3+ Out3* Hnp3—
'ОГ3 Q
_B3 rnrn g VCC.3 3 о
Cor iB3 VC VE
R
-9
1.25k
33 uu
R1
R1
9.2k
R11 18.4k
R12 9.2k
15k
U5
Cf4
2u4
1u4
Cor3
Out
Gc
iB1 iB2 iB3 iB4
♦VCC s
i4s
C6 HH> 10p
Out
Рис. 1. Структура микросхемы УФС и типовая схема ее включения.
C6 применяются для ограничения полосы пропускания ОУ, а C3, C4 — элементы ООС усилителей U2 и U4. Таким образом, усилитель U1 является преобразователем тока, поступающего в узел INP, в напряжение на выводе Out1, U2 — ФНЧ с выходом OutO, U3, U4 — ПФ с выходом Out.
Заметим, что на электрических схемах выводы и узлы с одинаковым условным обозначением соединены между собой.
В УФС предусмотрены дополнительные выводы, которые позволяют за счет включения внешних резисторов изменить основные характеристики, а именно:
— резистор между выводами INP и Out1 уменьшает коэффициент преобразования и расширяет полосу пропускания преобразователя ток—напряжение;
— резистор между выводом EQZ6 (EQZ8) и шиной положительного напряжения питания VCC изменяет величину и направление тока по входу Inp1+, Inp1—;
— резистор между выводами Gc и Out уменьшает коэффициент преобразования ПФ;
— потенциометр между 1u3, 2u3 и VCC, 1u4, 2u4 и шиной отрицательного напряжения питания VEE (рис. 2) уменьшает уровень постоянного напряжения на выходе Out при отсутствии входного сигнала;
— резистор между выводами 1пр1+ и ОиШ или шиной нулевого потенциала изменяет коэффициент преобразования ФНЧ;
— резистор между выводом S и УСС увеличивает ток потребления и быстродействие всех ОУ. При соединении вывода S с шиной нулевого потенциала ток потребления каждого ОУ возможно установить отдельно резисторами между УСС и II, 12, 13, 14.
Кроме того, величина внешних конденсаторов С3, С4 определяет полосу пропускания ФНЧ и ПФ в области нижних частот.
Усилители и1 и и3 имеют почти одинаковые схемы (рис. 3а) за исключением того, что:
— в и1 введена схема компенсации входного тока, выделенная пунктиром на рис. 3а;
— в и3 имеются дополнительные выводы для компенсации напряжения смещения (1и3 — эмиттер Q3, 2и3 — эмиттер Q4).
Усилители и2 и и4 (рис. 3б) также одинаковы по схеме, только в и4 предусмотрена компенсация напряжения смещения нуля (вывод 1и4 — эмиттер Q7з, 2и4 — эмиттер Q74).
При их схемотехническом синтезе Ш и и3 использован подход, описанный в [4].
Каждый вход и1 (1пр1—, 1пр1+) соединен с параллельно включенными цепями ^13, Q18 и Q14, Q11 для входа 1пр1— на рис. 3а), каждая из которых
(a)
VCC
Рис. 2. Типовые схемы балансировки: а — ОУ типа U1, б — ОУ типа U2.
состоит из двух последовательно соединенных эмиттерных повторителей на p-n-p- и n-p-n-транзисторах. Напряжение между входами Inpl-и Inp1+ поступает на резистор R14 и преобразуется во входной ток "токовых зеркал" (Q3, Q4, Q7 и Q27, Q28, Q22). Таким образом, схема, содержащая входные эмиттерные повторители, резистор R14 и "токовые зеркала", представляет собой OTA-уси-литель (Operational Transconductance Amplifier [5]) с коэффициентом преобразования напряжение-ток, пропорциональным 1/R14, и коэффициентом усиления напряжения, пропорциональным Л2/Л14, где R — суммарное сопротивление всех параллельных цепей, соединенных с высокоим-педансным узлом Cor1 — выходом OTA-усилите-ля. Параллельно соединенные выходные эмит-терные повторители на комплементарных тран-
зисторах (Q10, Q8 и Q17, Q21) преобразуют OTA-усилитель в ОУ. Транзисторы с общим эмиттером Q30, Q31 ускоряют заряд-перезаряд емкостной составляющей нагрузки. Особенностью ОУ является возможность программирования основных параметров изменением тока, втекающего в узел IB1.
Упрощенная электрическая схема U2 показана на рис. 3б. Входной каскад ОУ представляет собой "перегнутый" каскод, образованный n-p-n-тран-зисторами Q67, Q68 с общим эмиттером, источниками тока Q54, Q55 и p-n-p-транзисторами Q59, Q60 с общей базой. Применение "перегнутого" каско-да позволяет зафиксировать коллекторный потенциал "головных" транзисторов Q67, Q68, уменьшить влияние эффекта Миллера и величину входной емкости, а, с другой стороны, осуществить сдвиг постоянного уровня напряжения к шине отрицательного напряжения питания VEE и применить динамическую нагрузку в виде "токового зеркала" на n-p-n-транзисторах Q71, Q73, Q74. Такой ОУ можно рассматривать как однокаскад-ный, в котором все усиление напряжения осуществляется в высокоимпедансном узле Cor2, что позволяет выполнять простую коррекцию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) подключением к Cor2 внешнего корректирующего конденсатора. Для сохранения усиления при работе на внешнюю нагрузку высокоимпедансный узел соединяется с выходом через последовательно включенные эмиттерные повторители Q64, Q66 и Q65, Q63.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Измерения микросхемы УФС выполнялись с помощью комплекта оборудования, включающего: цифровой осциллограф "Infiniium" HP 54830B; выносной пробник 10073C; генератор сигналов произвольной формы Agilent 33250A; аттенюатор Agilent 8494G; двухканальный источник питания Agilent Е3646; интерфейсный модуль USB — GPIB Agilent 82357B; систему сбора данных Agilent 34970A с набором управляющих модулей; персональный компьютер.
Оборудование было объединено в единую систему с помощью шины GPIB. Управление выполнялось с помощью разработанного в среде "Agilent VEE" специализированного программного обеспечения для автоматизированного определения характеристик ИС.
Амплитудные параметры сигналов определялись с точностью не хуже 0.5 мВ, что обеспечивалось автоматизированной калибровкой тракта вертикального отклонения осциллографа, статистической обработкой и цифровой фильтрацией результатов измерений. Большинство измерений проводилось в автоматическом режиме. Результаты измерений записывались в *.txt файл, даль-
(б)
VCC
R38 Jr:
R43 R44 Q60
Q61
Inp2—
Q6
Q62
Inp2+
Q76
Cnd
Q
R48 R49
Q71
Q73 Q
Cor2
R50 R51
Q
R42
Q56
Q58
Gnd
R40 |R41 Q57
Q64
Q7
Q6
Q65
Q69
Q70 R45
Q6
Out2
Gnd Ib2
Q77 Q72
R46
u
R5'
Q75
R47
VEE
Q
77
R
52
Рис. 3. Принципиальные схемы: а — ОУ типа U1, б — ОУ типа U2.
нейшая обработка которого производилась в среде MS EXCEL с помощью стандартных средств и специализированных программ (макросов).
Основные р
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.