Прецизионные аналоговые интерфейсы на базе двух мультидифференциальных операционных усилителей.

                                                  (2)

Рис.  1. – Структура и условное обозначение МОУ

Рис.  2. – Инструментальный усилитель на одном МОУ

Напряжение дрейфа нуля ИУ () здесь также прямо пропорционально реализуемому дифференциальному коэффициенту усиления:
 ,     (3)
эта взаимосвязь параметров и определяет область применения такого инструментального усилителя. Действительно в классической схеме влияние дифференциального коэффициента усиления на  и  значительно меньше. Однако, наличие в структуре ДК1 компенсирующих обратных связей предварительно обеспечивает глубокое ослабление синфазного напряжения, а взаимосвязь режимов работы динамических нагрузок в структуре МОУ [5] позволяют обеспечить низкое значение  [1]. Указанные особенности схемотехники МОУ позволяют увеличить достижимый дифференциальный коэффициент усиления при сохранении относительно высоких требований к  и . Однако работа таких схем при воздействии жестких дестабилизирующих факторов связана с достаточно существенным ухудшением этих параметров [6]. Поэтому поиск альтернативных методов решения задачи схемотехнического проектирования остается актуальной задачей при условии дискретного (на единицу) увеличения числа используемых активных элементов.
В [7] предложено решение задачи структурного синтеза инструментальных усилителей на базе указанных выше МОУ. Сформулированный в этой работе подход показывает, что решение общей задачи синтеза схем с МОУ связано с синтезом некоторой матрицы , устанавливающей допустимые связи между активными элементами рис. 3.

Рис.  3.  – Обобщенная структура на базе двух МОУ

Отметим, что источник входного дифференциального сигнала  должен действовать непосредственно на каналы 2 как первого, так и второго мультидифференциального операционного усилителя.
Синтез инструментального усилителя на базе двух МОУ базируется на поиске компонентов матрицы  с учетом возможности параметрической минимизации дрейфа нуля схемы ( ) и коэффициента передачи синфазного сигнала ( ).
Если вторые каналы МОУ использовать только для подключения источников входного сигнала (взаимодействия с чувствительными элементами системы), то , и, следовательно, матрица
      (4)
будет полностью отображать возможную связь активных элементов схемы. В этом случае дрейф нуля на выходе первого () и второго () МОУ
,    (5)
,     (6)
где  – ЭДС смещения -го канала -го МОУ,  – коэффициенты усиления -го канала -го МОУ.
При условии, что
,    (7)
следуют дифференциальные коэффициенты усиления
,      (8)
.           (9)
Для обеспечения низкой параметрической чувствительности этих коэффициентов необходимо исключить разностные члены в этих соотношениях. Для этого достаточно выполнить условия
         ,     (10)
которые можно конкретизировать
, , , .       (11)
Отметим, что их альтернатива связана только с заменой индексов (номеров МОУ). В этом случае соотношения (5) и (6) конкретизируются
,             (12)
.      (13)
Как следует из соотношения (12) в потенциальной структуре схемы возможна взаимная компенсация влияния ЭДС смещения МОУ. Причем это свойство присуще выходу первого МОУ и, как видно из (13), не распространяется на выход второго усилителя. В этой связи выходом инструментального усилителя является , при этом его дифференциальный коэффициент передачи имеет следующий вид
   (14)
и сохраняет потенциально низкую параметрическую чувствительность. Необходимо отметить, что указанное выше свойство взаимной компенсации распространяется и на коэффициент передачи синфазного напряжения
,          (15)
при сохранении его на выходе второго МОУ
,          (16)
причем  – коэффициент ослабления синфазного сигнала каждого i-го активного элемента,  ,  – коэффициенты усиления -го канала -го МОУ для инвертирующего (-) и неинвертирующего (+) входов.
В этом можно убедиться конкретизацией следующих из (4) соотношений
,     (17)
        (18)
при выполнении оговоренного выше условия (11).

Рис.  4. – Упрощенная принципиальная схема инструментального усилителя

Принципиальная схема полученного инструментального усилителя приведена на рис. 4. Здесь компоненты матрицы (4) реализованы следующим образом
, , .           (19)
Поэтому, как следует из соотношений (12), (13)
,      (20)
.          (21)
Таким образом, при использовании идентичных МОУ выполнение параметрического условия
,        (22)
минимизирует дрейф нуля схемы. При этом, как видно из (14) и (15)
,     (23)
,    (24)
что в конечном итоге сохраняет низкую параметрическую чувствительность  и уменьшение коэффициента передачи синфазного напряжения.
Для демонстрации эффективности, предложенных в данной работе теоретических принципов построения инструментальных усилителей, сравним качественные показатели принципиальных схем рис. 1 и рис. 4 в случае использования идентичных МОУ (статический коэффициент усиления =48,7дБ, коэффициент передачи синфазного напряжения =-80дБ, частота единичного усиления =9,2Мгц, ЭДС смещения =1мВ) при условии реализации ими =20дБ.  Результаты моделирования этих принципиальных схемы в среде PSpice сведены в таблицу №1.
Таблица №1
Параметры инструментальных усилителей на базе МОУ

Примечание:  – дифференциальный коэффициент усиления,  – граничная частота ,  – коэффициент передачи синфазного напряжения,  – граничная частота ,  – напряжение дрейфа нуля усилителя, напряжение источников питания ±5В, токи потребления ±7мВ.
Таким образом,  при температурном воздействии от - до + в схеме на одном МОУ:

• дифференциальный коэффициент усиления изменяет свое значение не более чем на =±0,03%,
• реализуемый коэффициент передачи синфазного напряжения усилителя составляет -64дБ,
• напряжение дрейфа нуля =9,8мВ.

Для минимизации напряжения дрейфа нуля  и уменьшения коэффициента передачи синфазного напряжения , необходимо, как показано выше, использовать структуру рис. 4. Выбор численных значений элементов схемы для реализуемого =20дБ (==2,5кОм, ==10кОм)  осуществляется в рамках выполнения условия (22) и дополнительных технологических ограничений  на допустимые численные значения резистивных элементов [8, 9, 10].
Полученные результаты (табл. №1) показывают, что предложенный инструментальный усилитель имеет более высокие качественные показатели по сравнению аналогом на одном МОУ:

• дифференциальный коэффициент усиления изменяет свое значение не более чем на =±0,025%,
• реализуемый коэффициент передачи синфазного напряжения усилителя составляет -120дБ,
• напряжение дрейфа нуля не превышает 9мкВ.

Именно эти параметры и расширяют возможную область практического  использования инструментальных усилителей.
Полученные результаты проектирования инструментальных усилителей на двух МОУ позволяют существенно уменьшить как напряжение дрейфа нуля схемы, так и ее коэффициент передачи синфазного напряжения. 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 существенно более низким опорным напряжением.
Статья подготовлена при выполнения гранта 14.В37.21.0781 по теме «Разработка архитектурных, технологических и схемотехнических основ проектирования специализированных микросхем для обработки сигналов фотоприемников нового поколения и мостовых резистивных датчиков» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы»

Литература:

1. Крутчинский С.Г., Титов А.Е. Мультидифференциальный ОУ в режиме инструментального усилителя [Текст] // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2010. – №3 (101). – C. 200-204.
2. Крутчинский С.Г., Нефедова А.В. Структурная оптимизация дифференциальных каскадов [Текст] // Известия  ЮФУ. Технические науки, 2008. – №7. –  С. 41-48.
3. Krutchinsky S.G., Titov A.E., Tsibin M.S. Structural optimization of differential stage operational amplifiers // International Conference on Signal and Electronic System (ICSES’10). Poland: Institute of Electronics, Silesian University of technology, 2010. – P.253-257.
4. Krutchinsky S.G., Titov A.E., Svizev G.A. Symmetrical Differential Stages on CMOS Transistors with Circuits of Self-Compensation and Cancellation // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2012). Kharkov, Ukraine, 2012. – P. 241-244.
5. Прокопенко Н.Н., Серебряков А.И., Будяков П.С. Способ повышения стабильности нуля аналоговых микросхем с высокоимпедансным узлом в условиях температурных и радиационных воздействий [Текст] // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных схем – 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского, 2010. – С. 295-300.
6. Крутчинский С.Г., Исанин А.С., Прокопенко Н.Н., Манжула В.Г. Радиационно-стойкий измерительный усилитель на базе мультидифференциальных входных каскадов [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1045 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
7.  Крутчинский С.Г., Титов А.Е. Структурный синтез инструментальных усилителей на базе мультидифференциальных операционных усилителей (МОУ) [Текст] // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Актуальные проблемы производства и потребления электроэнергии», 2009. –  С. 72-81.
8.  Дворников О.В. Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем. Часть 2. Базовые схемотехнические решения АБМК 1-3 // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных схем – 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского, 2010. – С. 283-288.
9. О.В. Дворников, Чеховский В.А., В.Л. Дятлов, Прокопенко Н.Н., Старченко Е.И. Микросхема многоканального операционного усилителя и электрометрического повторителя на радиационно-стойком базовом матричном кристалле «АБМК-1.3» [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2013, №1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1557 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
10. Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем. ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». – Шахты : ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. – 208 с.