Дипломная работа на тему "Структурный синтез устройств с мультидифференциальными операционными усилителями"

ГлавнаяКоммуникации и связь → Структурный синтез устройств с мультидифференциальными операционными усилителями




Не нашли то, что вам нужно?
Посмотрите вашу тему в базе готовых дипломных и курсовых работ:

(Результаты откроются в новом окне)

Текст дипломной работы "Структурный синтез устройств с мультидифференциальными операционными усилителями":


Содержание

1. Постановка задачи

2. Принципы построения мультидифференциальных ОУ

3. Обобщенная структура и основные свойства электронных схем с мультидифференциальными ОУ

4. Собственная компенсация влияния частотных свойств мультидифференциальных ОУ

5. Звенья активных фильтров с мультидифференциальными ОУ

6. Мультидифференциальные ОУ в аналоговых интерфейсах и портах ввода

Выводы и рекомендации

Библиографический список

1. Постановка задачи

мультидифференциальный операционный усилитель аналоговый

Создание широкодиапазонных аналоговых устройств и IP блоков как с фиксированными, так и управляемыми параметрами связано либо с совершенствованием технологии производства активных компонентов, либо с построением низкочувствительных принципиальных схем, в рамках которых путем параметрической оптимизации удается в несколько раз (иногда на порядок) уменьшить влияние частоты единичного усиления (f1) этих компонентов на результирующие характеристики изделия. Указанные структуры и соответствующие им принципиальные схемы характеризуются собственной компенсацией влияния указанного параметра на чувствительность передаточной функции Ф(р).

В этом случае активная чувствительность электронной схемы будет иметь следующий вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (1)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – локальная передаточная функция идеализированной схемы при подаче сигнала на вход i-го активного элемента; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – передаточная функция, реализуемая идеализированной схемой на выходе i-го активного компонента; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – локальная передаточная функция идеализированной схемы на выходе i-го активного компонента при подаче сигнала в общем случае на его инвертирующий вход.

Указанные в соотношении (1) приращения локальных передаточ-ных функций Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. достигаются благодаря введению в схему дополнительных (компенсирующих) обратных связей, связывающих диф-ференциальный вход i-го активного элемента с дополнительным входом (узлом) схемы. Такая связь является достаточной для создания разностных членов и единственной. Для сохранения неизменным набора идеализированных передаточных функций Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Ф(р) (все входящие в структуру активные элементы идеальны) необходимо обеспечить высокое по сравнению с другими резистивными элементами входное сопротивление четырехполюсника, обеспечивающего указанную дополнительную обратную связь.

Ранее на многочисленных примерах показано, что успех применения принципа собственной компенсации связан со степенью свободы исходной схемы, которая определяется числом неиспользуемых (исходно заземленных) входов дифференциальных активных элементов. В большинстве случаев это не выполняется и приходится применять дополнительные операционные усилители (ОУ), решающие задачу согласования дифференциального входа i-го активного элемента и масштабирования сигнала для реализации необходимых параметрических условий собственной компенсации.

Анализ схемотехники современных ОУ показывает, что более 50 % потребляемых этими активными элементами тока приходится на выходной каскад, а попытки изменить это соотношение приводят к большому выходному сопротивлению ОУ и, следовательно, в целом ряде случаев – к ухудшению многих качественных показателей функциональных устройств. Например, в активных фильтрах гарантированное затухание в области верхних частот непосредственно определяется соотношением выходного сопротивления и сопротивления частотно-задающих цепей.

Одним из выходов из сложившегося положения является создание для современной аналоговой микросхемотехники мультидифференциальных ОУ (МОУ) – операционных усилителей, имеющих несколько инвертирующих и неинвертирующих входов, создающих необходимое для принципа собственной компенсации число степеней свободы практически без увеличения потребляемой мощности.

2. Принципы построения мультидифференциальных ОУ

Заказать дипломную - rosdiplomnaya.com

Новый банк готовых оригинальных дипломных проектов предлагает вам приобрести любые работы по желаемой вами теме. Мастерское написание дипломных проектов на заказ в Ростове-на-Дону и в других городах России.

Для построения указанного типа активных элементов достаточно изменить структуру входного дифференциального каскада (рис. 1), при этом такая модификация не должна существенно влиять на коэффициент ослабления синфазного сигнала [8].

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 1 Функциональная (а) и структурная (б) схемы многовходового ОУ

В частности, такой ОУ может иметь n равноправных инвертирующих и m равноправных неинвертирующих входов. На один из инвертирующих входов включается цепь отрицательной обратной связи (ООС), задающая масштабный коэффициент усиления. Коэффициент передачи по каждому из входов при охватывании такого усилителя цепью ООС можно найти из следующих выражений (при условии, что остальные входы заземлены и KiK5 >>1):

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (2)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.– коэффициент передачи по напряжению соответствующего каскада ОУ;

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (3)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (4)

Из выражений (2)–(4) следует, что если коэффициенты передачи К1 ÷ К4 равны между собой по абсолютной величине, то результирующий коэффициент усиления по напряжению для такого многовходового ОУ, охваченного цепью ООС, совпадает с классическим для типового инвертирующего и неинвертирующего включений, а коэффициент передачи для дополнительного инвертирующего входа отличается от неинвертирующего только знаком.

Вариант построения схемы ОУ, соответствующего структурной схеме рис. 1, приведен на рис. 2.

Если считать, что коэффициент передачи повторителя тока на транзисторах VT5, VT6 равен единице, то коэффициенты передачи по напряжению К1 - К4 и К2- К4 попарно равны и определяются следующим образом:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (5)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (6)

где RВХ – входное сопротивление промежуточного усилителя на транзи-сторах VT7, VT8; rЭi – дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер транзистора соответствующей дифференциальной пары; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – ко-эффициент передачи тока базы соответствующего транзистора дифферен-циальной пары.

Сопротивления резисторов R3, R4 можно выбирать одинаковыми или различными; если отношение сопротивлений не равно единице, появляется дополнительная возможность масштабирования коэффициентов усиления по входам 2 и 3. Однако такое дополнительное масштабирование определенным образом влияет на частотную характеристику усилителя. Действительно, если считать, что коэффициенты передачи К1 и К5 соответствующих каскадов усиления ОУ описываются передаточными функциями первого порядка, а влиянием частотной зависимости a можно пренебречь, то для входа 1 коэффициент передачи ОУ, охваченного цепью ООС, можно представить как

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (7)

где – постоянная времени дифференциального каскада; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – постоянная времени промежуточного каскада; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.соответствующие коэффициенты передачи цепи обратной связи, имеющие тот же смысл, что и в (2).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 2. Упрощенная принципиальная схема

мультидифференциального ОУ

При подаче входного сигнала на вход 2 (база транзистора VT3, рис. 2), при условии, что постоянные времени каналов К2 и К1 идентичны, по аналогии с (7) можно записать:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (8)

Из сопоставления выражений (7) и (8) следует, что они, по сути, идентичны при выполнении условия К2 = К1. При попытке увеличить коэффициент усиления за счет уменьшения глубины обратной связи эквивалентная постоянная времени также увеличивается, так как коэффициент Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. входит в знаменатель выражений (7) и (8), что приводит к уменьшению частоты среза, то есть спад частотной характеристики замкнутого и разомкнутого усилителей практически совпадает.

Иная ситуация возникает при выполнении условия К2 > К1. В этом случае эквивалентная постоянная времени определяется петлевым усилением, частота среза остается неизменной, а частота единичного усиления возрастает. То есть возрастает площадь усиления ОУ, охваченного цепью ООС. Эта ситуация подтверждается результатами моделирования (рис. 3) схемы, приведенной на рис. 2. По стандартному инвертирующему включению КU1=1, а при R3 = 2R4 коэффициент передачи К2 » 2К1 с точностью до конечного сопротивления rЭ (см. (5)–(6)).

Графики, приведенные на рис. 3, показывают, что частота единичного усиления при подаче сигнала на вход 2 (или 3) возрастает примерно в два раза, что определяется принятым соотношением К2 » 2К1. Естественно, такое расширение полосы возможно лишь при определенной коррекции частотной характеристики усилителя: коррекция ОУ осуществляется конденсатором СК (рис. 2) так, чтобы его передаточная функция соответствовала апериодическому звену второго порядка и постоянная времени промежуточного каскада была много меньше постоянной времени входного каскада.

Точностные характеристики такого ОУ (в частности, напряжение смещения, приведенное ко входу) хуже, чем у обычного, т. к. ошибки, возникающие в каждом дифференциальном каскаде, в общем случае складываются. В ОУ может быть предусмотрена балансировка напряжения смещения, например, за счет изменения коэффициента передачи повторителя тока на транзисторах VT5, VT6.

Динамический диапазон многовходового ОУ определятся, с одной стороны, динамическим диапазоном активной работы каждого дифференциального каскада, с другой – максимальным выходным напряжением, поскольку такой каскад осуществляет суммирование входных сигналов. Поэтому должно выполняться следующее условие:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики

многовходового ОУ при подаче сигнала на вход 1 (□),

вход 2 (◊) и разомкнутого усилителя (Ñ)

Другой вариант построения многовходового ОУ приведен на рис. 4а), а функциональная схема, ему соответствующая, – на рис. 4б). На рис. 4в приведена функциональная схема, к которой может быть преобразован ОУ, если поменять местами точки подключения коллектора транзистора VT4 и объединенных коллекторов транзисторов VT1 – VT3.

С учетом того, что ток эмиттера транзистора VT4 в три раза больше токов эмиттеров каждого из транзисторов VT1–VT3, а также в предположении, что коэффициент передачи повторителя тока на транзисторах VT5–VT6 близок к единице, по инвертирующим входам коэффициент передачи входного каскада составит:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (9)

где RВХ– входное сопротивление промежуточного каскада на транзисторе VT6; Ri – сопротивление резистора R1–R3; rЭ4 – дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора VT4.

Для неинвертирующего входа, при условии, что сопротивления резисторов R1–R3 равны, коэффициент усиления можно записать как

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (10)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 4. Упрощенная принципиальная схема мультидифференциального каскада (а) и возможные варианты его функциональных схем (б), (в)

Следовательно, по аналогии с выражением (7) для стандартного инвертирующего включения ОУ (при остальных заземленных входах) можно записать

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.,

где КПК – коэффициент усиления промежуточного каскада.

По аналогии с (8) для коэффициента усиления по любому из неинвертирующих входов, на который не подана обратная связь, можно записать

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

По неинвертирующему входу для рассматриваемого случая

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Следует отметить, что напряжение смещения, приведенное ко входу у усилителя, представленного на рис. 4а, практически совпадает с аналогичным параметром обычного ОУ с одиночным дифференциальным каскадом на входе, но при условии, что плотность токов эмиттеров транзисторов VT1–VT4 одинакова. Это достигается тем, что площадь эмиттера транзистора VT4 должна быть в три раза больше площади эмиттера транзисторов VT1–VT3. Как и в предыдущем случае, балансировку нуля по выходу ОУ можно осуществить изменением коэффициента передачи повторителя тока на транзисторах VT5–VT6.

При функциональном построении мультидифференциального ОУ по схеме рис. 4в коэффициент усиления при стандартном инвертирующем включении на низких частотах будет определяться по аналогии с выражением (2), а для неинвертирующего включения Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., то есть в три раза меньше, чем для случая функциональной схемы рис. 4б.

Естественно, частота единичного усиления в этом случае также уменьшается в три раза по сравнению с частотой единичного усиления разомкнутого усилителя.

При введении нескольких контуров ООС в МОУ происходит взаимное влияние цепей обратной связи на результирующий коэффициент передачи. При включении ОУ инвертирующего усилителя по обеим входам выражения для коэффициентов передачи по каждому входу в области низких частот будут выглядеть следующим образом:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (11)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (12)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; Ki – коэффициент передачи соответствующего плеча дифференциального каскада (рис. 1б).

При условии, что все Ki равны по абсолютной величине, что легко выполнимо, выражения (11) и (12) можно представить как

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (13)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (14)

Для неинвертирующего включения мультидифференциального ОУ по каждому из неинвертирующих входов коэффициент передачи можно представить как

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (15)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (16)

Из выражений (11)–(16) следует, что при использовании многоконтурных ООС глубина обратной связи возрастает, в частности, в классическом ОУ для неинвертирующего включения при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. = 0,5 коэффициент усиления будет близок к двум, а в рассматриваемом случае при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.1 = Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.2 = = 0,5 коэффициент усиления будет близок к единице.

Очевидно, что при одновременном использовании инвертирующих и неинвертирующих входов выходное напряжение ОУ можно определить согласно принципу суперпозиции, если сопротивление источников сигналов будет много меньше входных сопротивлений соответствующих входов.

Поскольку коэффициенты Кi – комплексные и, в общем случае, постоянные времени высоких частот каждого дифференциального каскада различны, передаточная функция для случая неинвертирующего включения ОУ будет иметь вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (17)

поэтому обеспечение устойчивости такого усилителя может оказаться сложной, но решаемой задачей.

Ток потребления стандартного ОУ складывается из следующих составляющих (если входной одиночный дифференциальный каскад выполнен аналогично рис. 2):

IОУ = IВК + I1 + 2I0 » 2I1 + 2I0, (18)

где IВК, I1, 2I0 – токи, потребляемые выходным, промежуточным и входным дифференциальным каскадами.

Для схем мультидифференциальных ОУ, представленных на рис. 2 и 4 соответственно

IОУ = IВК + 2I1 + 4I0, (19)

IОУ = IВК + 2I1 + 6I0, (20)

откуда следует, что ток МОУ возрастает весьма незначительно по сравнению с классическим.

3. Обобщенная структура и основные свойства электронных схем с мультидифференциальными ОУ

Увеличение числа входов дифференциальных каскадов, как это было показано ранее, приводит к снижению коэффициента ослабления синфазного сигнала, причем он может зависеть от требуемого количества входов. Кроме этого, необходим поиск особенностей функционально-топологиче-ских принципов введения в схему дополнительных (компенсирующих) обратных связей и, следовательно, анализ основных свойств электронных схем с МОУ.

Для решения поставленной задачи воспользуемся обобщенной структурой электронных схем с МОУ (рис. 5).

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 5. Обобщенная структура с мультидифференциальными ОУ

Из векторного сигнального графа (рис. 6) этой структуры следует система векторно-матричных уравнений:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (21)

Смысл векторов Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. следует из рис. 6. Векторы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. размерностью N´1 описывают расщепитель входного сигнала x0 и связывают его с инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) входами Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. мультидифференциальных ОУ Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Матрицы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. образованы локальными пе-редаточными функциями пассивной подсхемы, обеспечивающей передачу и преобразование сигнала со входа i-го активного элемента на j-й инвертирующий или неинвертирующий входы l-го МОУ. Активные элементы описываются диагональными матрицами размера (N´N):

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (22)

компоненты которых являются передаточными функциями i-го МОУ по j-му инвертирующему (-) и неинвертирующему (+) входам.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 6. Векторный сигнальный граф обобщенной структуры

Связь выходов активных элементов с нагрузкой осуществляется через сумматор, локальные передачи которого образуют вектор T = [ti] размера (N´1). Для учета влияния ослабления синфазного сигнала по различным входам введем в общем случае функции:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (23)

характеризующих неидентичность каналов усиления входного сигнала. Тогда

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (24)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (25)

Решение системы (21) приводит к следующему вектору выходных сигналов МОУ:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (26)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (27)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (28)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. ; (29)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (30)

Из (26) может быть получена передаточная функция любого электронного устройства с МОУ:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (31)

Реально коэффициенты ослабления синфазного сигнала достаточно велики, поэтому при анализе их влияния на функцию (31) можно исключить мультипликативные составляющие, представляющие собой величины второго порядка малости.

Рассмотрим влияние j-го коэффициента для инвертирующего входа i-го активного элемента. Индекс j соответствует номеру матрицы:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (32)

Тогда по методу Дуайра и У0 [2] (метода пополнения при обращении матрицы) получим:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (33)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Следовательно,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (34)

В выражении (34)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (35)

является локальной передаточной функцией системы при подаче сигнала на j-й вход i-го активного элемента, представляет собой передаточную функцию при условии, что вектор Т образован компонентами i-й строки матрицы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., а

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (36)

является передаточной функцией системы при подаче сигнала на j-й вход i-го МОУ при условии, что вектор Т образован указанным выше способом.

Аналогичный результат получается и для Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Однако, как это следует из (27) и (28), в соответствующих выражениях необходимо изменить знак слагаемых. С учетом структуры вектора (28) полное приращение передаточной функции системы будет иметь следующий вид

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (37)

Здесь и далее

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (38)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (39)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (40)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (41)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (42)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (43)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – вектор-столбец размером (N ´ 1), имеющий отличную от нуля и равную единице компоненту, соответствующую j-му неинвертирующему (инвертирующему) входу i-го МОУ (см. структуру вектора (30); Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – передачи пассивной подсхемы от источника сигнала к j-му неинвертирующему (инвертирующему) входу i-го усилителя; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.– коэффициент ослабления синфазного сигнала i-го МОУ по j-му неинверти-рующему входу; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.– коэффициент относительной неидеальности i-го МОУ j-му инвертирующему входу (см. (23)).

В соотношениях (37)–(43) индекс j характеризует номер матрицы, входящей в ряд (29).

Структура приращения передаточной функции (37) указывает на возможность взаимной компенсации влияния неидентичности каналов мультидифференциальных ОУ. Кроме этого, последние две составляющие ряда (37) могут быть направлены на компенсацию влияния выходного сопротивления применяемых активных элементов на амплитудно-частот-ные характеристики фильтров.

Примененный метод пополнения при обращении матрицы можно использовать и при анализе влияния площади усиления МОУ. Из соотношения (31) следует приращение передаточной функции, вызванное влиянием площади усиления (Пi) МОУ:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (44)

Здесь

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (45)

является передаточной функцией идеализированной обобщенной схемы модели при подключении источника сигнала к одному из неинвертирующих входов i-го МОУ;

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (46)

есть передаточная функция на выходе i-го МОУ, а

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (47)

– аналогичная функция при условии подключения источника входного сигнала к его неинвертирующему входу.

В приведенных соотношениях векторы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. имеют только одну единицу на позиции, соответствующей номеру i-го усилителя. Другие их компоненты равны нулю. Таким образом,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (48)

Дифференцированием можно определить активную чувстви-тельность модели

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (49)

где локальные передаточные функции Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. определяются аналогично с учетом влияния частотных свойств активных элементов структуры.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (50)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (51)

Приведенные соотношения устанавливают связь активной составляющей чувствительности схемы с границами ее динамического диапазона. Действительно, спектральная плотность мощности шума на выходе цепи определяется как

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (52)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – эквивалентная спектральная плотность, приведенная ко входу i-го МОУ, а максимальный уровень выходного напряжения

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.;

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. , (53)

при условии, что Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. В противном случае Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и максимальное выходное напряжение Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. активных элементов совпадают. Таким образом, уменьшение модуля активной составляющей чувствительности и расширение диапазона рабочих частот схемы за счет уменьшения модуля локальной функции (51) приводит к «перенапряжению», которое и уменьшает максимальный уровень выходного сигнала. Следовательно, единственным способом расширения диапазона рабочих частот и динамического диапазона схемы является уменьшение модуля локальной функции (50) при сохранении неизменными функций (51) и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

4. Собственная компенсация влияния частотных свойств мультидифференциальных ОУ

Соотношение (44) с учетом структуры идеализированной передаточной функции

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (54)

можно интерпретировать сигнальным графом, изображенным на рис. 7. С учетом выражений (54), (44), (46) и (47) можно получить векторный сигнальный граф (рис. 8) системы с учетом влияния i-го МОУ. Наличие узла

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (55)

не изменяет структуру и смысл локальной функции, т. к. любую компоненту вектора Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. можно рассматривать как равную единице разность передач пассивной части цепи на инвертирующий и неинвертирующий входы.

Из рассмотрения векторного сигнального графа следует важный в теоретическом отношении вывод: изменение локальных передаточных функций Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. при фиксированной передаточной функции возможно тогда и только тогда, когда дифференциальный вход xi i-го МОУ связан с дополнительным входом схемы.

Для доказательства этого утверждения введем вектор

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (56)

В этом случае рассматриваемая структура будет описываться следующей системой уравнений:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (57)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 7. Сигнальный граф электронной схемы при влиянии i-го МОУ

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 8. Векторный сигнальный граф электронной системы

при влиянии i-го входа МОУ

Решение системы уравнений (57) приводит к следующему результату:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (58)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

При обращении матрицы Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.воспользуемся методом пополнения:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (59)

Следовательно, передаточная функция структуры

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (60)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (61)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (62)

Таким образом, введение вектора W обеспечивает изменение только локальных функций Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., со-храняя при этом неизменными передаточную функцию идеализированной системы Фu(p) и передаточную функцию на выходе i-го активного элемента Fi(p). Изменение знака в (61) и (62), как это видно из (56), достигается за счет дифференциальных свойств активных элементов схемы.

Полученный результат имеет достаточно простую физическую трактовку. При идеальном активном элементе (Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.) дифференциальный входной сигнал xi не зависит от частоты, а при бесконечном статическом коэффициенте усиления этот сигнал равен нулю и дополнительный контур обратной связи прекращает свое действие, что в конечном счете и сохраняет неизменным не только идеализированную передаточную функцию, но и локальную функцию Fi(p). Таким образом, получение топологических условий собственной компенсации является достаточным.

Покажем их единственность. Из соотношений (46) и (57) следует, что для сохранения функций Фu(p) и Fi(p) необходимо сохранить не только матрицы В и DВ, но и набор векторов Т, А, D А,Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. Единственная незафиксированная составляющая набора предложенных функций ui связывает вход i-го активного элемента источником x. Действительно,

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (63)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

Этот вывод подтверждается и рассмотрением векторного сигнального графа (рис. 8). Создание параллельного пути передачи от узла xi к выходу схемы возможно только его соединением с дополнительным входом схемы и, следовательно, как это видно из (21), со входами активных элементов. Таким образом, сформулированное условие является единственным.

Ответ на вопрос об уровне компенсации в общем случае остается открытым, так как зависит от структуры матрицы [В + DВ] и вектора W. Из (63) видно, что в общем случае полную компенсацию обеспечить невозможно в силу неосуществимости условия

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (64)

В этой связи применение настоящего результата при решении практических задач связано с анализом структуры поправочных полиномов электронных схем различного функционального назначения.

5. Звенья активных фильтров с мультидифференциальными ОУ

При построении активного интерфейса современных систем радиоэлектронного назначения особое место занимают активные фильтры, обеспечивающие предварительную частотную селекцию сигналов сенсорных элементов. Именно точность реализации необходимых частотных характеристик и динамический диапазон этих устройств непосредственно определяют основные качественные показатели многих микрокомпьютерных систем автоматического управления и технической диагностики. В основе построения как многопетлевых, так и каскадных фильтров лежат звенья, реализующие передаточную функцию второго порядка. Использование принципа собственной компенсации влияния площади усиления дифференциальных ОУ практически всегда связано с увеличением в схеме их числа и, следовательно, к увеличению потребляемой мощности [9]. Покажем эффективность использования в их структуре мультидифференциальных ОУ.

В общем случае звено второго порядка должно реализовать следующую передаточную функцию:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (65)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.и Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – соответственно частота и затухание полюса.

Влияние площади усиления ОУ приводит к приращению знаменателя этой функции на следующий полином:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (66)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – коэффициенты, обратно пропорциональные площади усиления ОУ.

Именно поэтому в рабочем диапазоне частот это приводит к изменению как затухания, так и частоты полюса звена:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (67)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (68)

Приведенные соотношения показывают, что относительное изменение затухания полюса пропорционально реализуемой добротности Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и для высокоселективных устройств может достигать больших значений, включая и потерю устойчивости. В то же время, как это хорошо известно из теории фильтров, отклонение частоты полюса от желаемого значения в Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.раз сильнее влияет на изменение реализуемых частотных характеристик. Именно поэтому обеспечение высоких качественных показателей связано со стабилизацией как затухания, так и частоты полюса звеньев второго порядка.

Рассмотрим основные подходы к решению этой задачи. Из (47) и (62) видно, что в рамках принципа собственной компенсации относительные изменения полинома

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (69)

должны компенсироваться введением дополнительных связей, образующих следующее приращение

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. . (70)

Тогда

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (71)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (72)

Соотношения (71) и (72) показывают, что выбором Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. и знаков ki можно обеспечить любой уровень собственной и взаимной компенсаций влияния площади усиления активных элементов на частоту и затухание полюса. Вытекающие из этих выражений функциональные признаки приведены в табл. 1.

Приведенные результаты показывают, что в случае реализации на выходе i-го ОУ передаточной функции

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (73)

возможна одновременная компенсация изменений частоты и затухания полюса. Однако в этом случае дополнительная обратная связь характеризуется положительным возвратным соотношением, что при большой добротности полюса может существенно уменьшить запас устойчивости. Именно поэтому первый вариант компенсации изменения затухания полюса (табл. 1) более предпочтителен [5].

Рассмотрим применение полученных результатов для построения схемы звена второго порядка с собственной и взаимной компенсацией. На рис. 9 приведена принципиальная схема низкочувствительного звена полосового типа. Указанные на принципиальной схеме соотношения параметров пассивных элементов являются оптимальными по критерию влияния площади усиления ОУ. В этом случае

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (74)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.;

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (75)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (76)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (77)

При подаче входного сигнала на неинвертирующий вход первого ОУ на выходах ОУ реализуются следующие передаточные функции:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (78)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (79)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (80)

Таблица 1

Основные правила построения схем

--------------------------------------------------
Компенсируемые параметры | Функционально-топологический признак | Правило построения схемы |
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| Реализация на выходе ОУ переда-точной функции полосового типа |

Дифференциальный вход ОУ xi соединяется с таким высокоимпедансным входом схемы, который реализует на выходе этого ОУ функцию полосового типа с отрицательным коэффициентом передачи Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

|
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| Реализация на выходе ОУ переда-точной функции нижних частот (вариант 1) |

Дифференциальный вход ОУ xi соединяется с таким высокоимпедансным входом схемы, который реализует на выходе этого ОУ функцию фильтра нижних частот с положительным коэффициентом передачи Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

|
---------------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

| Реализация на выходе ОУ переда-точной функции верхних частот (вариант 2) |

Дифференциальный вход ОУ xi соединяется с таким высокоимпедансным входом схемы, который реализует на выходе этого ОУ функцию фильтра верхних частот с отрицательным коэффициентом передачи Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

|
--------------------------------------------------------- --------------------------------------------------

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 9. Низкочувствительное звено полосового типа

Таким образом, при замене первого ОУ на МОУ можно обеспечить введение в схему двух дополнительных компенсирующих контуров, обеспечивающих уменьшение влияния активных элементов как на частоту полюса, так и на затухание в соответствии с первым вариантом (табл. 1). Принципиальная схема звена с активной компенсацией приведена на рис.

Для этого случая при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (81)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (82)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. Низкочувствительное звено полосового типа с активной компенсацией

Следовательно, при идентичности частотных свойств активных элементов их влияние на реализуемые параметры пренебрежимо мало.

Результаты моделирования фильтров, выполненных по схемам рис. 9 и 10, приведены на рис. 11. Эти результаты наглядно показывают преимущество фильтра с активной компенсацией. Так, полосовой фильтр, АЧХ которого представлена кривой, отмеченной символом (à), выполнен на усилителях с частотой единичного усиления f1 = 30 МГц; кривая, отмеченная символом (Ñ), иллюстрирует АЧХ фильтра, выполненного на усилителях с частотой единичного усиления 300 кГц. Частота единичного усиления усилителей фильтра, выполненного по схеме рис. 10, также составляет 300 кГц. Сопоставительную оценку энергетических и других характеристик полосовых фильтров можно провести по данным табл. 2. В частности, выигрыш в токопотреблении полосового фильтра с цепями активной компенсации превышает два порядка при прочих соизмеримых характеристиках.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 11. Амплитудно-частотные характеристики полосового фильтра

без цепей активной компенсации (Uout2 и Uout3) и при их наличии (Uout1)

Таблица 2

Результаты моделирования -фильтров

--------------------------------------------------
Вариант фильтра |

df0, %

| dQ, % | dK, % |

f1 , МГц

|

Iпотр, мА

|
---------------------------------------------------------
Рис. 9 | 0,16 | 1 | 0,2 | 30 | 3,2 |
---------------------------------------------------------
Рис. 9 | 0,46 | 24 | 23,7 | 2,5 | 0,052 |
---------------------------------------------------------
Рис. 9 | 4 | 72 | 72 | 0,3 | 0,027 |
---------------------------------------------------------
Рис. 9 | 0,03 | 3.3 | 2 | 0,3 | 0,029 |
--------------------------------------------------------- --------------------------------------------------

Рассматриваемые мультидифференциальные усилители можно также непосредственно использовать и в схемотехнике R-фильтров. R-звенья с собственной компенсацией обеспечивают более высокий динамический диапазон всего устройства, однако их частота полюса непосредственно определяется общим коэффициентом передачи. Снятие указанных структурных противоречий требует применения дополнительной общей отрицательной обратной связи и, следовательно, мультидифференциальных ОУ. Принципиальная схема такого звена приведена на рис. 12.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 12. Звено R-фильтра с собственной компенсацией

и общей обратной связью

При сохранении оговоренного условия параметры звена определяются из следующих соотношений

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. (83)

В этом случае локальные передаточные функции, определяющие уровни динамического диапазона схемы, имеют вид

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (84)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (85)

где Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. параметры (84) при Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле..

При выполнении условия идентичности максимальное выходное напряжение будет иметь следующий вид:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (86)

Анализ модулей локальных функций (85) в диапазоне рабочих частот приводит к следующему результату:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.; (87)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (88)

Именно поэтому при большой добротности (Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (89)

Таким образом, введение общей отрицательной обратной связи позволяет реализовать дополнительную параметрическую степень свободы, обеспечивающую необходимый компромисс между различными уровнями динамического диапазона.

6. Мультидифференциальные ОУ в аналоговых интерфейсах и портах ввода

Для обеспечения предметной универсальности СБИС «система на кристалле» необходимо обеспечить возможность использования в РЭА мостовых датчиков различного типа. Именно поэтому входные цепи портов должны обеспечивать высокое подавление синфазного сигнала. Принципиальная схема типового аналогового интерфейса (рис. 13) представляет собой классический инструментальный усилитель на ОУ1–ОУ3 и простейший фильтр нижних частот, действие которого направлено на ограничение спектра в структуре АЦ-преобразования.

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.

Рис. 13. Принципиальная схема интерфейса AD 8555

При идентичности ОУ схема имеет не зависимый от дифференциального коэффициента усиления (К) коэффициент передачи синфазного напряжения (КСН). Однако для этого необходимо согласование всех резисторов при воздействии различных дестабилизирующих факторов. Анализ cхемы приводит к следующим результатам:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (90)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (91)

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., (92)

где КСС – коэффициент передачи синфазного сигнала ОУЗ; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – статический коэффициент усиления ОУЗ; Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле., Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле. – относительная погрешность сопротивления резисторов; fГР, f1, – граничная частота инструментального усилителя и частота единичного усиления ОУ1, ОУ2.

Таким образом, для реализации относительно небольшого КСН= - 75 дБ необходимо обеспечить достаточно высокую точность идентичности сопротивления резисторов порядка 0,01 % при воздействии всего комплекса дестабилизирующих факторов. Иногда для решения этой проблемы используется периодическая настройка схемы за счет изменения коэффициента передачи резистивного делителя. Однако в этом случае возникает дополнительная погрешность:

Рисунок убран из работы и доступен только в оригинальном файле.. (93)

Эта погрешность ограничивает результирующую точность интерфейса. Из (91) следует, что для управления дифференциальным коэффициентом усиления необходимо варьировать сопротивление резистора r при условии согласования его временных и температурных дрейфов с базовым номиналом R. Кроме этого, на выходах ОУ1 и ОУ2 действует достаточно большое синфазное напряжение UC , которое и ограничивает максимальное выходное напряжение схемы и, следовательно, не позволяет использовать низковольтные ОУ.

Таким образом, традиционная схема предполагает использование технологически сложно реализуемых резисторов и трех высококачественных, потребляющих от источников питания большую мощность, операционных усилителей. Анализ схем современных ОУ показывает, что 50 % потребляемого ими тока приходится на выходной каскад, а попытки изменить это соотношение приводят к ухудшению многих качественных показателей функциональных устройств. Одним из выходов из сложившегося положения является создание для современной аналоговой микросхемотехники мультидифференциальных ОУ [4, 5].

Структура входных цепей специально созданных МОУ не только обеспечивает относительно высокое ослабление синфазного входного напряжения UC, но и

Здесь опубликована для ознакомления часть дипломной работы "Структурный синтез устройств с мультидифференциальными операционными усилителями". Эта работа найдена в открытых источниках Интернет. А это значит, что если попытаться её защитить, то она 100% не пройдёт проверку российских ВУЗов на плагиат и её не примет ваш руководитель дипломной работы!
Если у вас нет возможности самостоятельно написать дипломную - закажите её написание опытному автору»


Просмотров: 407

Другие дипломные работы по специальности "Коммуникации и связь":

«Реклама и связи с общественностью», «Маркетинг»

Смотреть работу >>

Ремонт системы управления видеокамер аналогового формата

Смотреть работу >>

Теория электрических цепей

Смотреть работу >>

Роботизированные комплексы (РТК) предназначенные для технологического процесса сборки

Смотреть работу >>

Моделирование и методы измерения параметров радиокомпонентов электронных схем

Смотреть работу >>