СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2015

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2015 I INPDC INP INP 1 INP N 0 0 0 C D C F C C C C R F R F1 R F1 R R OUT R COMP R COMP DA1 DA2 – – – DA (N+1) I DP Создание низкотемпературных аналоговых ИС для обработки импульсных сигналов датчиков Часть 2 В статье представлен анализ аналоговой обработки импульсных сигналов ёмкостных датчиков, на основании которого сформулированы требования к элементам цепи отрицательной обратной связи зарядочувствительных усилителей. Рассмотрены малошумящие усилители с охлаждаемым «головным» транзистором и схемотехнические решения каскадов, направленные на увеличение усиления. Олег Дворников, Владимир Чеховский, Валентин Дятлов (г. Минск, Беларусь), Николай Прокопенко (г. Шахты, Ростовская обл.) О СОБЕННОСТИ АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ЁМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ При схемотехническом модели- ровании датчик с высоким внутрен- ним сопротивлением можно пред- ставить в виде параллельного соеди- нения источника импульсного тока и конденсатора с ёмкостью от еди- ниц пикофарад до единиц нанофарад. Обычно датчик соединяется с кана- лом (см. рис. 1), который преобра- зует входной импульс тока в выход- ное напряжение с длительностью, достаточной для обработки последу- ющими каскадами [1]. При коротких сигналах датчиков чаще всего при- меняются зарядочувствительные уси- лители (ЗЧУ). Если импульс тока дат- чика имеет протяжённую плоскую вершину, которую необходимо зареги- стрировать, то используются трансим- педансные усилители (ТИУ), которые обладают малым входным сопротив- лением и благодаря этому применя- ются при работе с датчиками с боль- шой ёмкостью и/или с высокой часто- той импульсов. В идеальном случае ЗЧУ должен сформировать из короткого токово- го сигнала, который можно аппрокси- мировать δ -функцией, выходное сту- пенчатое напряжение. Чаще всего эту операцию выполняет инвертирующий усилитель с большим коэффициентом усиления и одним доминирующим полюсом, охваченный отрицатель- ной обратной связью (ОС) с помо- щью конденсатора C F . Конденсатор C F заряжается постоянной составля- ющей входного тока I INPDC , возникаю- щей вследствие наложения импульсов тока, наличия входного тока усилите- ля DA1 и тока утечки датчика, что при- водит к изменению уровня выходно- го напряжения и уменьшению дина- мического диапазона, а в предельном случае – к потере работоспособности выходного каскада усилителя DA1. Для устранения влияния постоянной составляющей I INPDC на динамический диапазон ЗЧУ параллельно конденса- тору C F подключается высокоомный резистор R F , который осуществляет ОС по постоянному току и, таким образом, устанавливает рабочий режим элемен- тов усилителя DA1: , (1) где V OUTDC , V INPDC – выходное и входное напряжения ЗЧУ по постоянному току. Отметим, что аналогичную структуру может иметь ТИУ, в котором резистор R F преобразует входной импульс тока в выходное напряжение, а конденса- тор C F обеспечивает устойчивую рабо- ту усилителя с ОС. Различие заключа- ется в соотношении активной и реак- тивной составляющих комплексной проводимости цепи ОС, поскольку в ЗЧУ преобладает ёмкостная состав- ляющая проводимости, а в ТИУ – рези- стивная. Любой токовый сигнал I INP , поступаю- щий на вход ЗЧУ (DA1, R F , C F , см. рис. 1), вызывает падение напряжения V INP = = I INP Z EQ на эквивалентномвходномимпе- дансе Z EQ , которыйобразуется параллель- ным соединениемдинамическогоимпе- данса обратной связи Z F /(1 + K V ) и сум- марногоимпеданса всех параллельных цепей Z ∑ INP , соединённых с входом: , (2) где K V – значение коэффициента усиле- ния DA1 при разомкнутой цепи ОС, Z F , Z ∑ INP – импеданс ОС и суммарный импе- данс всех параллельных цепей, соеди- нённых с входом усилителя DA1 (узел INP, см. рис. 1). Увеличение входной проводимости обусловлено тем, что каждому измене- нию входного потенциала схемы соот- ветствует в K V раз большее изменение потенциала противоположного зна- ка на другом выводе Z F , а ток, протека- ющий через импеданс обратной свя- зи, в (1 + K V ) раз больше, чем в случае заземлённого вывода Z F (так называе- мый эффект Миллера). Так как выход- Рис. 1. Типовой канал аналоговой обработки сигнала датчика: C D – ёмкость датчика; I DP – импульсный ток датчика; I INPDC – постоянная составляющая суммарного тока, протекающего через входной узел INP; DA 1 , R F , C F – ЗЧУ или ТИУ; DA 2 – DA N+1 , R, R F1 , C – «формирователь»; INP 1 – INP N – входы интеграторов