СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-3

обратной связи, в (1 + K V ) раз больший, чем в случае заземлённого вывода Z F . Так как выходное напряжение V OUT ин вертирующего усилителя в K V раз боль ше входного, для коэффициента пере дачи с замкнутойООС справедливо со отношение: , (3) где K F – коэффициент передачи инвер тирующего усилителя при замкнутой цепи ООС, а знак «–» означает инвер сию напряжения. Для ЗЧУ пренебрегают активной со ставляющей эквивалентной входной проводимости по сравнению с реак тивной. В этом случае для коэффици ента передачи (коэффициента пре образования входного заряда в вы ходное напряжение K QV ) без учёта влияния АЧХ инвертирующего уси лителя, т.е. в предположении, что ко эффициент усиления K V сохраняет постоянное значение в спектре час тот входного сигнала, можно полу чить: , (4) где Q IN – заряд, генерируемый датчи ком; C D , C IN – ёмкость датчика и вход ная ёмкость инвертирующего усили теля. Выражение (4) соответствует обще принятому качественному описанию функционирования ЗЧУ: токовый сиг нал датчика в виде δ функции интегри руется на суммарной динамической ёмкости обратной связи C F (1 + K V ), дат чика C D , входной ёмкости усилителя C IN и преобразуется в входное напря жение, которое усиливается в K V раз с помощью инвертирующего усилите ля. При этом заднийфронт выходного импульса имеет экспоненциальный спад с постоянной времени τ F = C F R F , а передний фронт описывается посто янной времени τ R , прямо пропорци ональной доминирующей постоянной времени τ AMPL инвертирующего усили теля [24]: . (5) Из соотношения (4) следует, что для обеспечения постоянного коэффици ента преобразования K QV ≈ –1/ C F при разных значениях емкостей датчиков необходимо выполнение условия: . (6) Чаще всего инвертирующий усили тель реализуют с помощью каскодной схемы (ОЭ ОБ, ОИ ОЗ) или каскодного включения комплементарных тран зисторов – т.н. «свёрнутого» каскода (folded cascode). Каскодные усилители обладают рядом преимуществ: ста билизация потенциала на коллекто ре (стоке) «головного» транзистора уменьшает эффект Миллера и динами ческую входную ёмкость C IN ; совмест но с активной нагрузкой каскод обес печивает усиление одного каскада, достаточное для выполнения усло вия (6), что упрощает частотную кор рекцию и расширяет полосу пропус кания. Кроме того, «свёрнутые» каско ды осуществляют сдвиг уровня посто янного напряжения для увеличения динамического диапазона. Как указывалось ранее, в цепи ООС ТРУ преобладает резистивная состав ляющая проводимости. Тогда из соот ношения (3) для коэффициента пре образования входного тока в выход ное напряжение ( K IV ) в области низких частот получим: , (7) где R IN – входное сопротивление ин вертирующего усилителя. Если K V >> 1 + R F / R IN , то коэффици ент преобразования входного тока в выходное напряжение ТРУ определя ется только сопротивлением резисто ра обратной связи R F , поэтому от уси лителей с полевыми транзисторами (большим R IN ) не требуется высокого коэффициента усиления K V . Для уменьшения уровня шумов и по лучения требуемой амплитуды напря жения выходной сигнал ЗЧУ и ТРУ обычно усиливают и ограничивают спектр частот с помощью полосового фильтра (ПФ) или фильтра нижних частот (ФНЧ). Предварительная обра ботка сигнала низкоимпедансных дат чиков (источников напряжения) так же включает усиление и подавление шумов вне полосы частот сигнала дат чика с помощью ПФ или ФНЧ. С учётом рассмотренного выше, в со став разработанной микросхемы вклю ченыследующиеаналоговыеустройства: ● инструментальный усилитель (ИУ), выполненныйпо классической схеме на трёх операционных усилителях (U2A, U2B, U2C на рис. 2 и 3) и позво ляющий с помощьювнешнего резис тора, подключенного между вывода ми InINV1 и InINV2, устанавливать коэффициент усиления постоянно го напряжения в диапазоне от 2 до 200 В/В и уменьшать полосу пропус кания за счёт внешнего конденсато ра, соединённого с выводом Cor3; ● два предварительных усилителя на операционных усилителях (ОУ) с входными n–p–n транзисторами и компенсацией входного тока (U1A, U1B на рис. 2), которая обеспечивает возможность применения резисто ра ООС с номиналом до 100 МОм. Для установления близкого к нулю выходного напряжения ОУ с боль шим R F рекомендуется использова ние выводов VERL (для подключения внешнегомикромощного источника напряжения 1…5 В) и CPA CPB (для подключения внешнего переменно го резистора, с помощью которого выполняется точная балансировка входных токов). Цепь ООС может быть образована внешним резисто ром и конденсаторами: встроенным ( C FINT = 0,9 пФ) и внешним ( C F ) с сум марной ёмкостью ( C F Σ ) до 100 пФ; ● два предварительных усилителя (U4A, U4B на рис. 3) на инвертирую щих усилителях напряжения с вход ными полевыми транзисторами с p–n переходом и каналом p типа (p ПТП) и токовым аттенюатором (ТА) для реализации функции т.н. «активного резистора». Цепь ООС может быть образована внешним ре зистором с номиналом до 1 ГОм (ли бо внешним резистором и ТА) и кон денсаторами C FINT = 0,9 пФ, C F с сум марной ёмкостью до 20 пФ. На одном кристалле расположены все рассмотренные аналоговые блоки, однако в зависимости от типа исполь зуемых чувствительных элементов це лесообразно осуществлять реализацию (сборку в корпус) двух вариантов ка нала обработки сигнала (см. рис. 2 и 3). Для работы с низкоимпедансными источниками сигнала допустимо ис пользование одного ИУ (напряжение ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2011 © СТА-ПРЕСС