Пример расчета УВХ с малой постоянной времени интегрирующей RC–цепочки на интервале стробирования

Защита РГР

После выполнения РГР сдается студентом ведущему преподавателю на проверку. В случае серьезных замечаний к расчетной части, графическим материалам или их общему оформлению работа возвращается студенту на доработку. При этом на обложке РГР должны быть указания преподавателя о необходимости проведения доработок с датой проведения проверки.

В случае одобрения результатов проектирования проверяющим преподавателем проводится публичная защита РГР, на которой могут присутствовать все желающие. На защите своей РГР студент должен сделать краткий доклад в течение примерно 5 … 7 минут, в котором должен сделать небольшой обзор по известным аналогам в предметной области, пояснить особенности реализации конкретного устройства и схемотехнических методов достижения требуемых характеристик. Студент должен также ответить на общие теоретические вопросы, касающиеся данного раздела цифровых измерительных устройств. В случае успешной (удовлетворительной) защиты студент получает оценку «зачтено», в противном случае студент должен пройти повторную защиту. В случае повторных неудовлетворительных результатов защиты РГР изымается, а студенту выдается другое задание на проектирование с указанием данного факта в журнале учеты выдачи заданий.

В случае грубого нарушения студентом учебной дисциплины (подмена своего задания на РГР чужим, копирование ранее защищенных работ и представление их как собственных, плагиат, подлог и т.п.) его работа изымается, а в деканат направляется соответствующая служебная записка о недостойном поведении студента для принятия к нему административных мер, вплоть до отчисления студента за грубое нарушение правил внутреннего распорядка и невыполнение графика учебного процесса. По решению деканата и кафедры указанному студенту может быть выдано другое задание на РГР, тематика которого совпадает с типовым, например, разработать УВХ другого типа. В этом случае новое задание на РГР для этого студента может отличаться от типового в сторону усложнения введением дополнительных требуемых характеристик разрабатываемого устройства.

Рассмотрим в качестве примера выполнение расчетной части РГР при проектировании устройств выборки–хранения. Типовая методика проектирования может быть сведена к последовательности следующих операций:

1. Изучение комплекса технических требований к проектируемому УВХ, а также возможных вариантов его выполнения по рекомендуемой литературе [1–4, 14] и информации из глобальной сети Internet [13]

Исходными данными для проектирования обычно являются [1–4, 14]:

диапазон изменения входного напряжения U _вх; время выборки (стробирования) t _выб (t _строб); время хранения отсчета t _хр; допустимый спад выходного напряжения ∆ U _хр за время хранения; погрешность выборки ∆_выб за время выборки; максимальная частота входных сигналов f _макс; вид управляющих сигналов (ТТЛ, КМОП); напряжение питания + U _пит; апертурное время (апертурная погрешность) t _ап; допустимая погрешность коэффициента передачи δК_перед; скорость нарастания выходного напряжения в режиме выборки V _вых; перенос заряда при переходе из режима выборки в режим хранения; диапазон рабочих температур; смещение нуля; ток потребления; допустимое значение сопротивления нагрузки и т.д.

Для специализированных УВХ может задаваться ряд дополнительных частных параметров, например, ограничения по номиналу емкости конденсатора хранения С _н; ограничения на тип используемого конденсатора хранения С _н; допустимые изменения напряжения питания; вид используемых ключей; тип используемых усилителей для построения буферных каскадов; сквозное прохождение сигнала в режиме хранения, значения входного сопротивления УВХ, допустимые значения емкости нагрузки УВХ и т.д. [1-3].

2. Выбор конкретной структуры УВХ и разработка его структурной схемы

Из значительного числа известных структур [1–4] рекомендует-

ся выбрать классическое аналоговое УВХ с малой постоянной времени интегрирующей RC –цепочки на интервале стробирования, у которого интервал стробирования t _строб >> , где – постоянная времени этой интегрирующей RC –цепочки УВХ. Это тип УВХ имеет достаточно простую структуру при вполне удовлетворительных характеристиках [2, 3] и может быть использован в 10-ти и даже 12-ти разрядных цифровых системах. Для взятия выборок здесь используются стробирующие прямоугольные импульсы одинаковой длительности. При этом предполагается, что время срабатывания используемых в УВХ ключей не зависит от значения входного сигнала, температуры и т.д., и дискретизацию можно считать равномерной.

Структурная схема УВХ этого типа приведена на рис.1. Быстродействие буферных операционных усилителей (ОУ) DA 1 и DA 2 с единичными коэффициентами передачи, а также электронного ключа SW 1 должно быть достаточно высоким, чтобы не искажать входной сигнал в режиме выборки. В данной идеализированной структуре влияние конкретного типа ключа SW 1 на параметры УВХ явным образом не видно. Однако реально это влияние достаточно существенно, в частности, на параметры УВХ сильно влияют сопротивление ключа SW 1 в замкнутом состоянии (R _замк) и его вариация(∆ R _замк), токи утечки ключа по выходным аналоговым цепям I _ут и цепям управления, а также его быстродействие (время включения t _вкл и время выключения t _выкл).

Для данного типа УВХ значение коэффициента передачи в режиме выборки зависит от частоты входного сигнала [2]:

К_перед = U _вых / U _вх = 1/ (1 + ј f / f _ср), (1)

где f – текущая частота входного синусоидального сигнала;

f _ср = 1/2π RC _н; ј = – мнимая единица.

Соответственно, погрешность коэффициента передачи

δК_перед = 1 – U _вых / U _вх = – j f / f _ср / (1 + ј f / f _ср). (2)

Эта погрешность уже на частоте f = 10 кГц при передаче синусоидального сигнала составляет для f _ср =1 МГц ( = 160 нс) почти 1 %, а на 100 кГц – уже 10 %. Приближенно её можно определять как δК_перед = f / f _ср [2]. Эта погрешность носит динамический характер, и её обычно называют погрешностью выборки ∆_выб или погрешностью недозаряда (слежения). Однако пользоваться указанными понятиями К_перед и δК_перед нужно осмотрительно, воспринимая их как предельные значения, поскольку УВХ обычно работают с относительно медленно меняющимися негармоническими сигналами, как правило постоянного напряжения, а там этих погрешностей практически нет.

Очевидно, что у данного типа УВХ значение должно определяться в результате компромисса между требованием назначения небольшой постоянной времени интегрирующей RC – цепочки для быстрого заряда конденсатора С _н до текущего значения U _вх (фактически малого значения емкости конденсатора С _н) в режиме выборки (взятия отсчета) и требованием получения возможно большей постоянной времени этой цепочки (фактически возможно большего значения емкости конденсатора С _н) для обеспечения малого спада выходного напряжения УВХ ∆ U _хр в режиме хранения отсчета.

При замыкании ключа SW 1 с некоторым запаздыванием, равным времени включения ключа t _вкл (начало интервала стробирования), конденсатор С _н начинает заряжаться (рисунок 2) до значения U _вх по экспоненте, постоянная времени которой равна произведению RС _н. При заряде конденсатора С _н до текущего значения U _вх напряжение на нем некоторое время отслеживает изменения U _вх до окончания интервала времени стробирования t _строб. После этого УВХ переходит в режим хранения (ключ SW 1 размыкается с некоторым запаздыванием, равным времени выключения ключа t _выкл).

Спад выходного напряжения УВХ в режиме хранения ∆ U _хр не должен превышать допустимого значения. Обычно это значение меньше шага квантования цифровой системы h, в которой используется УВХ.

На следующем интервале t _строб конденсатор С _н вновь заряжается по той же экспоненте до текущего значения U _вх и некоторое время отслеживает его до окончания интервала стробирования. Из-за неидеальностей электронной части схемы, переходных процессов установления напряжения при размыкании ключа, наличия падения напряжения на ключе и из-за наличия смещений по постоянному напряжению буферных усилителей с единичным коэффициентом передачи U _cн при переходе от слежения к хранению всегда немного

Рисунок 1 – Структурная схема УВХ c малой постоянной времени интегрирующей RC –цепочки на интервале стробирования

Рисунок 2 – Временные диаграммы работы УВХ с малой постоянной времени интегрирующей RC –цепочки на интервале стробирования

отличается от значения U _вх на некоторое значение, которое называют «пьедестал» (смещение) или «перенос заряда». Значение этого пьедестала обычно может составлять до 2 % от максимального значения U _вх [2, 3]. Очевидно, что время стробирования УВХ t _строб и время хранения отсчета t _хр могут быть неравны (обычно t _хр >> t _строб), но в любом случае t _хр должно быть больше времени преобразования t _пр АЦП, стоящего после УВХ.

Указанная структура УВХ по точности взятия выборки и спаду

выходного напряжения в режиме хранения обычно соответствует 10-

ти разрядному аналого–цифровому преобразованию при соответствующем опорном напряжении и шаге квантования цифровой системы h [1–3]. Этот уровень может быть повышен до 12-ти разрядного преобразования при использовании общей отрицательной обратной связи, охватывающей оба буферных операционных усилителя DA 1 и DA 2 (штриховая линия на рис.1), а также за счет усложнения структуры и большего значения емкости конденсатора C _н. Но достигается это обычно за счет заметного снижения быстродействия УВХ и сужения диапазона рабочих температур [1–3].

3. Определение постоянной времени интегрирующей RC –цепочки УВХ, исходя из заданного по техническому заданию значения ширины полосы пропускания

Постоянная времени интегрирующей цепочки УВХ

= R С _н = 1/2 f _ср, (3)

где: R – сопротивление резистора интегрирующей цепочки (выходным сопротивлением входного буферного повторителя DA 1 R _{оу вых} и сопротивлением ключа R _замк в замкнутом состоянии здесь пренебрегаем); С _н – значение емкости накопительного конденсатора; f _ср – значение частоты среза интегрирующей цепочки УВХ как фильтра низких частот.

Это значение должно быть уточнено после проверки возмож-ности заряда конденсатора С _н до максимально возможного значения U _вх УВХ за интервал времени t _строб и расчета значения С _н по другим критериям. Здесь же необходимо проверить значение погрешности выборки (разность между значением напряжения на конденсаторе С _н в конце интервала стробирования и максимальным значением входного напряжения U _вх при выбранном значении ) и сравнить его с заданным в техническом задании значении. Если конденсатор С _н не успевает зарядиться от нуля до максимума значения U _вх за время выборки, то значение постоянной времени необходимо уменьшить. Сделать это можно уменьшением номинала резистора R или емкости конденсатора С_н. Первый вариант предпочтительнее, так как умень-шение значения сопротивления ведет к менее заметному ухудшению динамических характеристик УВХ, чем уменьшение емкости С_н.

4. Выбор электронного ключа SW 1 для выбранной схемы УВХ

Параметры электронного ключа во многом определяют характеристики УВХ. Наиболее значимыми параметрами ключа являются [1–3, 14]:

– диапазон изменения входных сигналов U _вх;

– сопротивление ключа в замкнутом состоянии R _замк;

– вариация значения сопротивления ключа в замкнутом состоянии ∆ R _замк;

– время включения t _вкл и время выключения t _выкл ключа (как правило, имеют разные значения, t _вкл < t _выкл );

– сопротивление ключа в разомкнутом состоянии R _разомк (типовые значения для КМОП–ключей не менее 10⁹ – 10¹² Ом);

– максимальное допустимое значение тока через ключ в замкнутом состоянии I _{кл макс} (обычно не менее 20 мА);

– остаточное напряжение U _ост на замкнутом ключе при токе через ключ, равном нулю;

– амплитудно–частотная характеристика ключа (как фильтра низких частот);

– токи утечки ключа по выходным аналоговым цепям I _ут;

– ток потребления ключа;

– диапазон рабочих температур ключа;

– количество необходимых источников питания и уровни их выходных напряжений;

– внутренняя организация ключа, например, 4 входа на 1 выход (4х1);

– уровни управляющих напряжений ключа (ТТЛ или КМОП);

– функциональное назначение ключа (ключ токовый – КТ или ключ напряжения – КН; ключ для коммутации аналоговых сигналов – аналоговый коммутатор, или ключ для коммутации логических сигналов (часто может быть использован и для коммутации аналоговых сигналов) – мультиплексор),

и т.д.

Конкретный ключ должен быть выбран, исходя из всего комплекса требований технического задания на проектирование. В общем случае для выбранной структуры УВХ могут быть использованы ключи напряжения (КН) или многоканальные аналоговые коммутаторы на основе комплементарных КМОП-структур отечественных серий К590 и К591 или четырехканальных мультиплексоров (коммутаторов цифровых сигналов) К564КП1, которые могут быть использованы в качестве коммутаторов и аналоговых сигналов [1, 5, 6]. Типовое значение времени включения t _вкл указанных ключей от 15 до 300 нс. При необходимости могут быть использованы более быстродействующие структуры [1, 14], например, ADG 774 (t _вкл = 10 нс, t _выкл = 5 нс), ADG 701 (t _вкл = 20 нс, t _выкл = 10 нс) фирмы Analog Deviсes, МАХ 4522 (t _вкл = 10 нс) фирмы Maxim (США), 74 РС 4016 (t _вкл = 10 нс) фирмы Philips (ФРГ–Нидерланды), SD 5000 (t _вкл = 1 нс) фирмы Siliconix (США) или других западных фирм. Однако они обычно имеют более узкий диапазон значений коммутируемых напряжений U _вх, и применяют их в скоростных УВХ, допускающих более высокую скорость спада V _разр выходного напряжения в режиме хранения.

При необходимости получения минимального сопротивления ключа в замкнутом состоянии R _замк (обычно от 10 до 300 Ом) и, соответственно, его вариации ∆ R _замк возможно параллельное включение нескольких ключей, управляемых синхронно. Такие соединения можно организовать при использовании микросхем К590КН4, К590КН5, К590КН7, К590КН8А и К590КН8Б, К590КН9 [5], К590КН13 [6] и др. Однако апертурная погрешность из-за возможного несинхронного срабатывания ключей может увеличиться.

Учитывая сравнительно небольшие значения времени выборки и достаточно большие значения диапазонов входных сигналов УВХ по техническому заданию на РГР (до + 10 В), большой диапазон допустимых значений напряжений питания ключа (+ 15 В), возможность параллельного включения каналов ключа, низкое сопротивление одиночного ключа в замкнутом состоянии предпочтительным выглядит использование ключа К590КН13 [6], имеющего R _замк = 29 Ом (типовое значение), относительно небольшие значения тока утечки I _ут аналогового выхода ключа (12 нА – типовое значение при нормальной температуре) и удовлетворительное быстродействие (t _вкл = 40 нс – типовое значение).

5. Определение апертурной погрешности УВХ

Быстродействие выбранного ключа определяет ещё один важ-

ный параметр УВХ – его апертурную погрешность (апертурное

время), содержащую постоянную и случайную составляющие (апертурную «дрожь») [2]. В современной технике аналоговые ключи с t _вкл < 20 нс принято считать быстродействующими. Фактически эта погрешность при достаточно медленно меняющемся входном напряжении равна времени выключения ключа t _выкл по окончании интервала стробирования t _строб. При этом используемый ОУ DA 2 принимается безынерционным, то есть, его время установления принимается равным нулю, а апертурной «дрожью» пренебрегают.

6. Определение постоянной времени интегрирующей RC –цепочки УВХ, исходя из условия необходимого быстродействия

За интервал стробирования (интервал выборки) t _строб конденсатор С _н должен успеть зарядиться в худшем случае от нуля до

U _{вх макс} и некоторое время «следить» за значением U _вх. Заряд идет по экспоненте с постоянной времени = R C _н. Однако реально заряд конденсатора С _н начинается после t _вкл – времени полного замыкания ключа SW 1, поэтому фактическое время заряда меньше t _строб примерно на значение t _вкл. Выходной буферный усилитель DA 2 имеет весьма высокое значение входного сопротивления (десятки– сотни МОм), поэтому его входные токи близки к нулю (десятки пА–единицы нА). Соответственно, влиянием усилителя DA 2 на заряд конденсатора С _н в режиме стробирования пренебрегаем.

С учетом этого текущее напряжение на конденсаторе С _н при заряде от нулевого значения напряжения (нулевые начальные условия)

U _сн = U _{вх макс} [1 – exp ( – t / )], (4)

где максимальное значение текущего времени заряда t равно t _строб – t _вкл.

Исходя из требования выполнения соотношения t _строб >> , можно найти максимально допустимое значение как

= R C_н = (0,01 … 0,1) (t _строб – t _вкл). (5)

Найденный диапазон изменения должен быть использован при определении номиналов резистора R и емкости конденсатора хранения С_н, значения которых должны быть затем уточнены с учетом соотношения (3) и с учетом получения требуемого значения коэффициента передачи УВХ К_перед в диапазоне входных частот.

7. Назначение номинального сопротивления резистора R интегрирующей RC_н – цепочки

Для уменьшения влияния вариации сопротивления ключа ∆ R _замк на значение постоянной времени номинал резистора R должен быть как минимум на порядок – два больше ∆ R _замк. Для выбранного ключа К590КН13 ∆ R _замк составляет в зависимости от значения и знака коммутируемого U _вх не более 25 % [6, c. 143], что составляет при нормальной температуре для типового случая примерно 30 Ом * 0,25 = 7,5 Ом. Поэтому назначаем номинал резистора R примерно в 50 – 100 раз больше. В этом случае влиянием R _замк и ∆ R _замк на постоянную времени обычно пренебрегают. В общем случае значение должно определяться с учетом выходного сопротивления входного буферного усилителя DA 1 УВХ. Типовые значения этого сопротивления у ОУ общего применения без обратной связи составляет 50 … 70 Ом [9, 10]. Однако при включении ОУ повторителем напряжения его выходное сопротивление за счет влияния отрицательной обратной связи стремится к нулю (сотые доли Ома). Во всяком случае, оно много меньше R _замк и значения сопротивления резистора R. В связи с этим влиянием выходного сопротивления DA 1 на процесс заряда конденсатора С _н также пренебрегаем.

Соответственно, принимаем в качестве резистора R по ряду Е48 прецизионный высокочастотный металлодиэлектрический резистор С2–29В номиналом 470 Ом [8]:

R → С2–29В–0,25 Вт – 470 Ом + 1 % – А. (6)

Отметим, что допуск на номинальное значение сопротивления резистора R здесь особого значения не имеет, поэтому для снижения стоимости проектируемого УВХ этот допуск взят максимальным для данного типа резисторов (1 %). Аналогичным образом рассеиваемая резистором мощность принята 0,25 Вт для обеспечения лучшего температурного режима работы и удобства монтажа, хотя расчетная мощность рассеяния в худшем случае (конденсатор С _н все время заряжается максимально возможным значением зарядного тока) составляет P _макс = I ²_{кл макс}.* R = 20²*10^–6 А* 470 Ом = 0,188 Вт. Однако при заряде конденсатора С _н до U _вх значение этого тока уменьшается практически до нуля, к тому же УВХ работает фактически в повторно–кратковременном режиме работы. Соответственно, выделяющаяся на резисторе R мощность существенно меньше.

С другой стороны, при значении U _сн = 0 в первый момент времени разряженный конденсатор С _н представляет собой короткое замыкание и резистор R выполняет ещё и функцию токоограничивающего элемента для ключа SW 1 и конденсатора С _н. Расчетное значение максимального тока I _макс через ключ в этом случае U _{вх макс} / R не должно превышать паспортного значения максимального значения тока через ключ (для К590КН13 – не более 20 мА [6, c. 142]). Это же значение тока должен обеспечивать в первый момент и буферный усилитель DA 1.

Типовое значение сопротивления резистора R обычно лежит в пределах от 100 Ом до 1 кОм [2, 3] и может служить приближенным критерием корректности выбора его номинала по максимально допустимому значению тока через ключ в замкнутом состоянии.

8. Расчет максимально допустимых с точки зрения выбранного значения резистора R границ номиналов емкости конденсатора С _н

Пренебрегая значением t _вкл , получим

С _н ≤ / R = (0,01 … 0,1) t _строб / R, пФ. (7)

Найденные значения округляем до ближайших по конкретному ряду номиналов Е [7, 8]. Значения номиналов емкости конденсатора С _н обычно лежат в диапазоне от 30 пФ для высокоскоростных УВХ до 5000 пФ для медленных высокоточных структур [2, 3, 5]. Типовые же значения лежат в пределах от 100 пФ до 1200 пФ. В интегральных УВХ могут быть использованы внутренние конденсаторы на основе обратносмещенных полупроводниковых структур емкостью от 30 пФ до 100 пФ и более [1, 14]. Поэтому корректность расчета значения емкости С _н по (7) может быть косвенно проверена по критерию соответствия типовым значениям этой емкости у известных интегральных УВХ или УВХ на дискретных радиоэлементах аналогичного быстродействия.

9. Выбор типа конденсатора С _н

В качестве конденсатора С _н должен быть выбран прецизионный конденсатор со следующими критичными параметрами:

– конденсатор должен иметь минимальный температурный коэффициент емкости (ТКЕ), который обычно определяет диапазон рабочих температур;

– конденсатор должен иметь возможно более низкое значение коэффициента абсорбции К_аб (определяет влияние объемных зарядов диэлектрика конденсатора на напряжение на конденсаторе; требуемые значения К_аб лежат в пределах 0,001 … 0,0001 % [2, 3, 7, 8]);

– конденсатор должен иметь возможно более низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь tgδ (определяет частотные свойства конденсатора и диапазон его рабочих частот, типовое значение 0,001);

– конденсатор должен иметь возможно большее сопротивление цепи изоляции R _из (или возможно большее значение постоянной времени цепи изоляции _из); типовые требуемые значения R _из составляют от 5*10³ до 10⁵ МОм и более [7, 8].

Допуск на номинал емкости конденсатора С _н с учетом допустимых вариаций значения особого значения не имеет и может составлять до 2 … 5 % [2, 3].

Указанному комплексу основных требований соответствует, прежде всего, группа конденсаторов с органическим диэлектриком [7, 8], имеющая близкий к нулю ТКЕ, минимальные значения К_аб (типовые значения 0,001 …0,0001 %), достаточно низкие значения tgδ и высокие значения R _из:

– полистирольные (К70, К71, ПМ, ПО);

– фторопластовые (К72, ФТ-1, ФТ-2, ФТ-3);

– полиэтилентерефталатные (К73, К74);

– с комбинированным диэлектриком (К75);

– поликарбонатные (К77);

– полипропиленовые (К78).

Все они имеют сравнительно большие значения рабочих напряжений U _раб (от 63 В до 2кВ). Для проектируемого УВХ рекомен-дуется выбирать конденсаторы с минимальным значением U _раб, поскольку они имеют меньшие габаритные размеры и легко устанавливаются на печатные платы. Возможно также использование в качестве С_н прецизионных керамических конденсаторов с нулевым температурным коэффициентом (группа МП0 по ТКЕ) К10-43а и К10-47. Однако они имеют заметно более худшие параметры.

С точки зрения обеспечения оптимального соотношения

цена/качество рекомендуется выбрать прецизионные полистирольные окукленные конденсаторы К71–7 с допуском 1 % или 2 %, хотя они имеют несколько худшие электрические характеристики, чем, например, гораздо более дорогие полипропиленовые или поликарбонатные конденсаторы.

По справочнику [8] принимаем по конкретному ряду Е:

С _н → К71-7 – 63 В – Номинал емкости + Допуск – В. (8)

10. Выбрать ОУ для построения входного и выходного буферных каскадов с единичным коэффициентом передачи по напряжению (повторителей напряжения)

Буферные каскады обеспечивают развязку источника входного сигнала и нагрузки с интегрирующей RC –цепочкой УВХ. При этом в оптимальном варианте входной буферный усилитель DA 1 должен иметь близкое к нулю выходное сопротивление; выходной ток не меньший, чем максимально допустимое значение тока через ключ SW 1; возможно меньшее смещение нуля; высокое быстродействие (значение частоты единичного усиления f ₁ ОУ должно превышать максимальное значение частоты входного сигнала не менее, чем в 10 раз); большой диапазон изменения входных напряжений (не менее + 10 В); достаточно большие значения напряжений питания (обычно не менее + 15 В) и высокую стабильность в рабочем диапазоне температур (близкие к нулю значения температурных коэффициентов ТК U _см и ТК∆ I _вх). Выходной буферный усилитель DA 2 дополнительно должен иметь высокое входное сопротивление по постоянному току, то есть, возможно меньшие значения входных токов. Оба буферных усилителя должны иметь минимальное значение времени установления выходного напряжения.

Мировая и отечественная электронная промышленность выпускают достаточно большое количество ОУ с параметрами, близкими к идеальным для рассматриваемой задачи [9, 10]. Например, это может быть буферный усилитель ОР 454 фирмы Texas Instruments (США) с уже установленным коэффициентом передачи К _U = 1. Основные параметры этого ОУ: напряжение питания до + 50 В, выходной ток не менее 50 мА при полосе пропускания (f ₁) > 2,5 MГц, значение входного сопротивления не менее 10¹³ Ом при входной емкости 10 пФ, диапазон рабочих температур окружающей среды от –60 до +125 ⁰С.

Из отечественных ОУ для данных различных вариантов заданий на РГР целесообразно использовать прецизионный малошумящий более быстродействующий интегральный усилитель К140УД26А [10], включенный повторителем напряжения. Его типовые параметры: коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом состоянии К _U > 10⁶; U _пит до + 16,5 В; значение частоты единичного усиления f ₁ > 26 МГц – типовое значение; скорость нарастания выходного напряжения V _вых >11 В/мкс – типовое значение; входное синфазное сопротивление R _вх > 100 МОм (значение входных токов < 10 нА); смещение нуля U _см < 30 мкВ – типовое значение; коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС > 100 дБ – типовое значение; температурный коэффициент напряжения смещения нуля ТК U _см < 0,6 мкВ/^оС и т.д.

Имеется зарубежный аналог ОУ К140УД26А с ещё более лучшими параметрами – прецизионный усилитель ОР 37 ЕZ фирмы Precision Monolithics (США) [10]. Он имеет более высокую скорость нарастания выходного напряжения – > 17 В/мкс –типовое значение; меньшее значение смещения нуля – < 10 мкВ – типовое значение; более высокое значение коэффициента ослабления синфазного сигнала – > 114 дБ; более высокое значение частоты единичного усиления f ₁ – > 63 МГц; более широкий диапазон значений напряжений питания – + 22 В; меньшее значение температурного коэффициента напряжения смещения (0,2 мкв/^оС – типовое значение); большее значение входного синфазного сопротивления (3 ГОм – типовое значение), малое значение выходного сопротивления в разомкнутом состоянии (70 Ом – типовое значение) и т.д.

При необходимости на сайтах ведущих производителей ОУ (фирмы Analog Device s, Intersil, Maxim, Texas Instruments, Linear Technology, National Semiconductor, Elantec Semiconductor и др.) можно подобрать более современные ОУ с частотой f ₁ до 400 МГц и более и скоростью нарастания выходного напряжения до 1500 В/мкс и выше, или специализированные буферные усилители с единичным коэффициентом передачи К _U. Важно только соблюсти весь комплекс указанных требований к такому ОУ при использовании его в качестве буферного усилителя с единичным коэффициентом передачи в составе УВХ. Из быстродействующих отечественных ОУ можно рекомендовать широкополосный ОУ с токовой обратной связью К1432УД1А, устойчиво работающий даже на емкостные нагрузки с K _U = +1. Для прецизионных УВХ (разрядность измерительного устройства, в котором может быть использовано УВХ, 12 или более двоичных разрядов) обязательно использование балансировки для устранения напряжения смещения нуля буферных ОУ.

Целесообразно также использовать при построении УВХ сдвоенные или счетверенные ОУ. Это позволит не только снизить стоимость разработки и сэкономить место на плате, повысить надежность, но и обеспечить синхронное изменение параметров усилителей, расположенных на одном кристалле, что облегчит разработчикам компенсацию этих изменений. Желательно уменьшить токи утечки по входам ОУ с помощью «охранных колец» на печатной плате УВХ [10], что необходимо отразить в технических условиях на поле чертежа схемы принципиальной электрической.

11. Определить значение спада выходного напряжения УВХ ∆ U _хр в режиме хранения

При определении этого параметра нужно учитывать, что в режиме хранения разряд конденсатора С _н происходит через неинвертирующий вход буферного усилителя DA 2, аналоговый выход электронного ключа SW 1 (через резистор R) и через собственное сопротивление цепи изоляции R _из конденсатора С _н [2, 3].

В общем случае скорость уменьшения напряжения на конденсаторе С _н (выходного напряжения УВХ) в режиме хранения (максимальное значение в начале разряда) определяется как

V _разр = dU _сн / dt = ∑ I _разр / C _н, В/с, (9)

где ∑ I _разр – сумма токов, разряжающих конденсатор С _н.

Разряд конденсатора С _н также идет по экспоненте. Однако эта экспонента имеет весьма большую постоянную времени, и фактически разряд на начальном участке экспоненты происходит по прямой линии. При определении скорости разряда С _н нужно использовать

паспортные значения токов утечек используемых ОУ, самого конден

сатора С _н и электронного ключа SW 1.

В частности, I _ут аналогового выхода ключа К590КН13 изменяется от 1 нА при температуре +20 ^оС до 10 нА (типовые значение) при температуре +80 ^оС [6, c.142], при этом значения коммутируемого напряжения находятся в пределах + 15 В. Очевидно, что при напряжении на С _н, равном 10 В, эти разрядные токи (начальные значения) уменьшатся на одну треть.

Полистирольные конденсаторы К71–7 имеют большое значение сопротивления изоляции – R _из > 50 000 МОм [8, c. 232]. Поэтому максимальное значение тока разряда через цепь изоляции конденсатора С _н составит в начальный момент I _из = U _{cн макс} / R _из = 10 В / 50*10⁹ Ом = 0,2*10^–9 А = 0,2 нА.

Значения входных токов I _{вх DA} ОУ DA 2, в качестве которого принимаем К140УД26А, при максимальном значении входного синфазного напряжения (+ 12 В) и напряжении питания + 15 В не превышают 10 нА [9, c. 103].

Таким образом, максимально возможная в начальный момент сумма токов, разряжающих С _н в режиме хранения при нормальной температуре,

∑ I _разр = 2/3 * I _ут + I _из + I _{вх DA} = 2/3 *10 нА + 0,2 нА + 10 нА =

= 16,8 нА.

Следовательно, в соответствии с (9) скорость разряда С _н в режиме хранения при нормальной температуре в худшем случае при U _вх= 10 В составит

V _разр = ∑ I _разр / С _н = 16,8*10^–9 А / С _н * 10^–12 Ф, В/с. (10)

Поскольку скорость разряда С _н определяет спад выходного напряжения в режиме хранения, который обычно не должен превышать шага квантования цифровой системы h, значение которого обычно не превышает единиц мВ, то V _разр в цифровой измерительной технике принято давать в единицах измерения мВ/мс.

Типовые значения V _разр для интегральных УВХ составляют 0,2 мВ/мс при С _н = 1000 пФ [1, с.380, табл. 7.2; 5, c.310] и менее. При изменении значения емкости С _н значения напряжения переноса заряда, необходимого значения t _выб, сквозного прохождения, V _разр и ∆ U _хр существенно изменяются [5, с.308–313]. В технических условиях на УВХ обычно приводятся основные параметры для нескольких значений С _н,, чаще всего это 100 пФ. 620 пФ, 820 пФ, 1000 пФ и 1200 пФ. В Российской Федерации скорость спада 0,2 мВ/мс при С _н = 1000 пФ считается типовым значением (см., например, параметры микросхемы УВХ К1100СК2) [1, 6]. Это значение может служить оценочным критерием корректности расчета V _разр по (10).

Соответственно, спад выходного напряжения УВХ в режиме хранения

∆ U _хр = V _разр * t _хр, мВ. (11)

Найденное по (11) значение ∆ U _хр должно быть не более значения, заданного в техническом задании на проектирование.

Если найденное по (11) значение ∆ U _хр больше значения, заданного в техническом задании на проектирование УВХ, необходимо уточнить (увеличить) значение емкости С _н, использовать ОУ DA 2 с меньшими значениями входных токов, взять ключи с меньшими значениями токов утечки по аналоговым выходам или использовать другие, более сложные структуры УВХ повышенной точности [1–3].

Аналогично необходимо уточнить значение емкости конденсатора С _н при работе в расширенном диапазоне температур с учетом изменения значений токов утечки ключа I _ут по аналоговому выходу и изменения входных токов I _{вх DA} буферного усилителя DA 2.

12. Разработать структурную и принципиальную электрическую схемы рассчитанного УВХ, а также перечень элементов в соответствии с требованиями ЕСКД [11, 12]

При выполнении этого пункта необходимо учесть общетехнические требования на применение микросхем ОУ и ключей, использовать стандартные условно-графические обозначения радиоэлементов, обозначить нумерацию выводов микросхем, предусмотреть использование высокостабильного напряжения питания, установить по цепям питания фильтрующие конденсаторы номиналом 10 мкФ (электролит) и 0,1 мкФ (керамический) непосредственно на соответствующих выводах микросхем, предусмотреть при необходимости защиту входов ОУ DA 1 от перенапряжений, защиту выходов ОУ DA 1 и DA 2 от перегрузки, использовать SMD –радиоэлементы для уменьшения паразитных параметров и т.п.

Желательно построить временные диаграммы работы разработанного УВХ с учетом всех временных параметров выбранных микросхем ключей и ОУ.

13. Определить по рекомендуемой литературе и информации из глобальной сети Internet ближайший аналог к разработанному УВХ в интегральном исполнении

При нахождении аналога необходимо использовать весь комплекс параметров, приведенных в техническом задании на проектирование. Необходимо по данным справочных изданий или фирменных данных производителей составить сравнительную таблицу параметров трех–четырех известных УВХ, сделав упор на интегральные, серийно выпускаемые микросхемы. Количество сравниваемых параметров УВХ должно быть не менее 7–8. Сюда обязательно должны входить диапазон входных сигналов, время выборки с заданной точностью, время хранения, спад выходного напряжения за время хранения и апертурная погрешность.

Необходимо обратить внимание на то, что параметры УВХ должны сравниваться при одинаковых или близких значениях емкостей конденсаторов С _н, как внешних, так и встроенных.

При этом рекомендуется использовать данные источников литературы [1, 6, 14], а также параметры микросхем ведущих мировых производителей (Analog Devices, Burr–Brown, National Semiconduc-tor, Harris, Datel и др.), а также отечественных УВХ К1100СК2 и 1103СК3.

Наиболее близким аналогом считается УВХ, параметры которого в наибольшей степени совпадают с параметрами разработанного УВХ или в основном несколько превышают их.

На этом проектирование УВХ с малой постоянной времени интегрирующей RC–цепочки на интервале стробирования по предложенному техническому заданию на проектирование закончено.

Список литературы:

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифро-вых электронных устройств. – Изд. 3-е, стереотип. – М.: Изд. дом «Додэка-ХХI», 2011. – 528 с.: ил.

2. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи (Теория и проектирование) / Под ред. Г.Д. Бахтиарова. – М.: Сов. радио, 1980. – 280 с.: ил.

3. Данилов А.А. Устройства выборки–хранения: состояние разработки, пути совершенствования //Измерения, контроль, автоматизация. – 1986.– №4 (60). – С. 26-35.

4. Аналоговые устройства выборки–хранения: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Цифровые измерительные устройства» /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. М.П. Иванов, Уфа, 1994, 22 с.

5. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник/ И.В. Новаченко, В.М. Петухов, И.П. Блудов, А.В. Юровский. – М.: Радио и связь, 1989. – 384 с.: ил.

6. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. Дополнение третье: Справочник/ И.В. Новаченко, В.А. Телец, Л.И. Редькина, Ю.А. Краснодубец. – М.: Радио и связь, 1993. – 288 с.: ил.

7. Справочник по электрическим конденсаторам / М.Н. Дьяко-нов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. – М.: Радио и связь, 1983. – 576 с.: ил.

8. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. – Минск: Беларусь, 1994. – 591 с.: ил.

9. Операционные усилители и компараторы: Справочник. – М.: Изд. дом «Додека–ХХI», 2001. – 560 с.: ил.

10. Интегральные микросхемы. Операционные усилители. Том 1 /А.В. Перебаскин, А.А. Бахметьев, С.О. Колосов и др. – М.: Физматлит, 1993. – 240 с.: ил.

11. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Э.Т. Романычева, А.К. Иванова, А.С. Куликов и др.; Под ред. Э.Т. Романычевой. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1989. – 488 с.: ил.

12. Ганенко А.П., Лапсарь М.И. Оформление текстовых и графических материалов при подготовке дипломных проектов, курсовых и письменных экзаменационных работ (требования ЕСКД): Учебник для нач. проф. образования. – 5-е изд., перераб. и доп. –– М.: Изд. центр «Академия», 2008. – 352 с.: ил.

13. Звонарев Е. Поиск в Интернете технической информации по электронным компонентам// Электронные компоненты. – 2003. – №4. – С.9–12.

14. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: В 2-х томах. /Пер. с нем. – Изд. 12-е перераб. и доп. – Т.2 – М.: Изд. дом «Додека–ХХ1», 2008. – 942 с.: ил.

Составитель ИВАНОВ Михаил Петрович

Дата добавления: 2015-05-10