Структурный синтез устройств с мультидифференциальными операционными усилителями (стр. 7 из 8)
. (111)Таким образом, как видно из выражения (111), при идентичности элементов выходной дрейф системы будет определяться конечной разностью не только ЭДС смещения однотипных ОУ, но и их температурных коэффициентов. Достаточно высокая идентичность будет обеспечиваться при реализации всех элементов на одном кристалле, как это сделано, например, в АБMK. Кроме того, в этой схеме осуществляется двукратное расширение диапазона частот по сравнению с классическим инструментальным усилителем.
Высокие функциональные возможности МОУ позволяют спроектировать на одном активном элементе не только инструментальный усилитель, но и ограничитель спектра более высокого порядка по сравнению с изделием AD8555. На рис. 19 показана принципиальная схема такого устройства.
Рис. 19. Принципиальная схема аналогового интерфейса
Коэффициенты усиления и ослабления синфазного сигнала такого устройства определяются следующими соотношениями
. (112)Граничная частота fГР при условии, что fГР<1.5 f1/K, C2>>CУВХ и неравномерность амплитудно-частотной характеристики интерфейса, определяется параметрами фильтра нижних частот:
, (113) 
. (114)При
имеет место максимально плоская амплитудно-частот-ная характеристика интерфейса в целом.Результаты испытаний настоящего устройства на базе компонентов базового кристалла [7] приведены в таблице 3.
Таблица 3
Основные параметры аналогового интерфейса
| Параметр | К, дБ | КСН дБ | fГР, кГц | λ, дБ | λТ, дБ | Uш., мкВ | δ, дБ | I0, мкА |
| Значение | 10 | 94 | 1 | 110 | 90 | 2 | 0,02 | 15 |
Примечания.  – гарантированное затухание в полосе режекции; Т – затухание на тактовой частоте АЦП (fT=1 МГц); δ – неравномерность амплитудно-частотной характеристики в полосе пропускания. | ||||||||
Мультидифференциальные ОУ по энергетическим характеристикам практически идентичны традиционным активным элементам этого класса. Именно поэтому они в силу функционального и структурного многообразия в электронных устройствах могут оказаться наиболее перспективными. Действительно, как показывает приведенный выше пример активного фильтра, многие чрезвычайно полезные качественные показатели изделий могут быть получены без увеличения потребляемой мощности, а в ряде случаев позволяют использовать экономичные режимы работы активных элементов. Последнее наиболее важно при создании СБИС типа «система на кристалле». Именно поэтому представляется актуальным пересмотр ранее полученных схемо-технических решений различных функциональных устройств, ориентированных на микроэлектронную реализацию, например, как это сделано в секторе инструментальных усилителей [8].
Выводы и рекомендации
Изложенные выше результаты показывают, что предложенными методами структурного синтеза и оптимизации электронных схем, ориентированных на полупроводниковую технологию, можно всегда существенно уменьшить требования к соответствующим элементам и компонентам при сохранении других качественных показателей конечного продукта. Внимательный читатель и опытный схемотехник обратили внимание на то, что эти методы приводят к новым структурам; когда собственно микросхемотехника только начинается, необходимо внимательно изучить основные требования к базовым узлам структуры, разработать их схемотехническую реализацию под конкретную технологию, выполнить параметрическую оптимизацию с учетом иных ограничений и, наконец, осуществить схемотехническую интеграцию изделия в целом. Указанный комплекс задач выходит за рамки поставленной автором проблемы. Их естественность показывает, что монография может помочь только профессиональному схемотехнику, для которого понятийный аппарат и язык современной микросхемотехники являются «родной стихией». И тем не менее, этот тезис нуждается в определенных комментариях, пояснить которые можно на простом примере, которым и предшествовала книга.
Для уменьшения влияния частоты единичного усиления ОУ и соответствующей параметрической чувствительности необходимо использовать цепи собственной компенсации, а в качестве одного из примеров, демонстрирующих эффективность метода получения схема низкочувствительного звена полосового типа с двумя ОУ (рис. 1).
Рис. 1. Низкочувствительное звено полосового типа с собственной компенсацией
Пусть на базе указанной схемы необходимо реализовать избирательный усилитель (селективную часть СФ блока) с добротностью Q = При этой добротности, как видно из
(1)
, (2)
где 
условия собственной компенсации влияния частоты единичного усиления на частоту и затухание полюса совпадают, и требуемый коэффициент усиления неинвертирующего масштабного усилителя 
Именно поэтому в практических схемах его можно заменить на повторитель напряжения, у которого частота единичного усиления значительно превышает соответствующий параметр ОУ. Таким образом, как это видно из (1) и (2) при 
, условие компенсации выполняется при 
. (3)Приведенная оценка хорошо согласуется с теми погрешностями реализации параметров схемы, которые обусловлены влиянием второго полюса ОУ. Таким образом, при создании ОУ и повторителя напряжения можно руководствоваться как полученной оценкой чувствительности основы параметров полюса, так и условием низкого влияния повторителя напряжения (f2>5f1). Кроме этого, как видно из рис. 1, настоящий повторитель может иметь несогласованные уровни постоянного напряжения на своих входах и выходе. Именно эти особенности позволяют упростить схемотехническую реализацию избирательного усилителя. Так, цепь компенсирующей обратной связи можно выполнить на базе простейшего дифференциального каскада с коэффициентом усиления, равным единице по каждому из входов. Однако для реализации требуемой добротности:
. (4)И минимальное численное значение сопротивления R2 будет ограничиваться влиянием выходного сопротивления того каскада. В этой связи наиболее приемлемое решение общей задачи схемотехнического проектирования связано с применением в компенсирующей цепи схемы с глубокой отрицательной обратной связью. Одно из возможных схемотехнических решений приведено на рис. 2.
Рис. 2. Избирательный усилитель с собственно компенсацией влияния f1 ОУ
Если Rc >> h11OЭ, то
(5) 
(6)и при использовании блокирующего конденсатора С (Rи2~=0) точность реализации требуемого К0 определяется в основном идентичностью режимов работы V1 и V2 (стабильностью отношения крутизны S1 и S2). При К0<2Q2–1 это свойство обеспечивается глубокой обратной связью через Rи2V2.
Рассмотренным примером возможные схемотехнические способы реализации структуры не ограничиваются. Так, при необходимости иметь низкое входное сопротивление (токовое управление) можно в структуре V3 использовать дополнительный эмиттер, тогда:
. (7)Конечно, таких особенностей практического использования новых структур может быть достаточно много.
Не менее важную проблему, возможно методологического характера, составляют новые задачи синтеза оптимальных или рациональных структур при иных исходных предпосылках, но в рамках существующей парадигмы. Более чем полувековой опыт развития схемотехники показывает, что эволюция технологии компонент очень часто заставляет пересматривать критерии схемотехнического проектирования, поэтому завершать исследования набором рекомендаций просто нецелесообразно. И все же один важный вывод, непосредственно относящийся в проблеме структурного синтеза, схемотехники дают. Практически важные и технологически приемлемые свойства схем обеспечивает обратная связь. Можно достаточно уверенно утверждать, что обратная связь оказалась «верным другом» схемотехники. И чем больше контуров обратной связи, тем больше параметрических «степеней свободы» и выше качественные показатели конечного устройства. Но обратные связи нужно использовать аккуратно, грамотно и целенаправленно, так, чтобы взять из их сочетаний только лучшее и парировать негативные последствия. Действительно, компенсирующие обратные связи как на компонентном, так и на функциональном уровнях часто являются положительными, а точнее – имеют положительное возвратное отношение. И если не рассматривать их в совокупности с другими контурами и не анализировать их предельную глубину, то можно выделить много специфических негативных последствий и в конечном итоге просто не решить вполне конкретную задачу схемотехнического проектирования. Однако, когда решение в рамках процедуры структурного синтеза найдено, легко установить, что глубина таких контуров в целом зависит от конкретного «паразитного» параметра, а негативы «степеней свободы» проявляются далеко за пределами полосы расширенной области частот. Однако в электронике любое новое качество сопровождается определенными потерями. Важно сохранить суммарный позитивный результат. Материал настоящей монографии этот тезис только подтверждает.