Линейные устройства с дифференциальными операционными усилителями (стр. 6 из 7)
Рассмотренный пример подтверждает основной тезис общей постановки задачи – новые целенаправленно созданные структуры электронных схем создают дополнительные параметрические степени свободы, которые при рациональном их использовании (например, параметрической оптимизации) позволяют создавать устройства с более высокими качественными показателями, а также уменьшать требования к технологическим нормам производства активных компонентов.
7. Эффективность метода собственной компенсации при решении практических задач
Применение предложенного принципа собственной компенсации влияния площади усиления активных элементов на характеристики устройств различного функционального назначения позволило получить достаточно большое число оригинальных схемотехнических решений, внедренных в реальную радиоэлектронную аппаратуру.
Детальный анализ целого класса прецизионных микросхем ведущих западных фирм (Burr-Brown, Maxim, AnalogDevices) показывает, что используемые ими схемотехнические решения неоптимальны, а высокие качественные показатели фильтров, инструментальных усилителей и датчиков достигаются либо за счет применения активных компонентов, изготовленных по субмикронной технологии, либо за счет повышения потребляемой от источников питания мощности [23].
Продемонстрируем изложенное на примере модернизации принципиальной схемы микросхемы UAF-43 (Burr-Brown Cor. USA). В приведенной на рис. 11 схеме универсального звена изменен способ включения ОУ1 (в указанном изделии он не связан с ОУ2), что, однако, не влияет на частотный и динамический диапазоны универсального фильтра. Указанное подключение используется в измерительных фильтрах фирм Bruel & Kjaer (Дания), Robotron (Германия), Maxim (США), а также в некоторых отечественных изделиях. Результаты анализа, связанные с определением локальных передач, определяющих качественные показатели изделия, приведены в табл. 3.
Рис. 11. Исходная схема универсального звена
Таблица 3
Локальные передачи универсального звена
| Номер ОУ |  |  |  |  |  |
| 1 |  |  |  | 1 | 3 |
| 2 |  |  |  | 1 |  |
| 3 |  |  | | 1 |  |
| 4 |  | | | 1 |  |
Здесь
(109)Соотношения между резистивными элементами выбраны так, чтобы на выходах всех ОУ максимальное напряжение в рабочем диапазоне частот не превышало бы выходное.
В этом случае максимальная спектральная плотность шума на выходе звена составит
(110)а приращение знаменателя может быть найдено из соотношения
(111)поэтому, как следует из (73),
(112)Из приведенных выражений следует, что при реализации высокой добротности Q отклонение затухания полюса оказывается значительным. В этой связи при разработке процедуры модернизации схемы необходимо на первом этапе введением дополнительных компенсирующих контуров обратных связей уменьшить влияние площади усиления ОУ на dp. Обоснование конкретного контура компенсирующей обратной связи должно предусматривать также анализ его влияния на собственный шум схемы.
Из соотношений табл. 3 следует, что наиболее целесообразным является способ, обеспечивающий разностные члены в
и, следовательно, связанный с соединением дополнительного входа с дифференциальным входом ОУ2 (см. функционально-топологические правила табл. 2). Принципиальная схема такого звена приведена на рис. 12. 
Рис. 12. Схема с компенсацией влияния площади усиления ОУ
на затухание полюса
Здесь дополнительная связь инвертирующего входа ОУ4 с неинвертирующим входом ОУ2 реализует первый вариант компенсации погрешности затухания полюса и поэтому повышает запас устойчивости, а связь ОУ1 с ОУ2 – указанный ранее второй вариант [24].
В исходной схеме (рис. 11) использовались малошумящие ОУ ОР-27 (140УД25А), спектральная плотность шумов которых на частоте полюса (
) составляет 
, а в полученном (модернизированном) варианте – маломощные ОУ LF-140 (140УД282), характеризующиеся большей спектральной плотностью ( 
) и в пять раз более низкой площадью усиления ( 
и 
). Как видно из сопоставления графиков амплитудно-частотных характеристик (АХЧ) схем и их спектральной плотности собственного шума (кривые А и В на рис. 13 соответственно), качественные показатели схем практически совпадают, однако модернизированный вариант универсального звена потребляет от источника питания в 23 раза меньший ток ( 
). 
Рис. 13. Результаты моделирования
Если в исходной схеме применить ОУ LF-442, то будет наблюдаться восьмикратное увеличение реализуемой добротности, и при исходном значении Q=10 происходит потеря работоспособности (сомовозбуждение).
Сравнение АЧХ идеального звена (рис. 13) с аналогичной характеристикой схемы рис. 11 показывает, что дальнейшее развитие структуры должно быть направлено не только на уменьшение погрешности затухания полюса, но и на компенсацию уменьшения частоты полюса. Последнее обусловлено применением более низкочастотных ОУ типа LF-442. Для решения поставленной задачи в схему необходимо ввести дополнительный масштабный усилитель, увеличивающий число степеней ее свободы и, в соответствии с рекомендациями табл. 2, компенсирующие контуры обратных связей (рис. 14).
Рис. 14. Схема с компенсацией влияния площади усиления
на частоту полюса
Для уменьшения собственного шума нового варианта звена этот усилитель подключен так, чтобы его выходной сигнал не был значительно ниже выходного сигнала схемы. Приведенные на рис. 13 результаты моделирования показывают, что полученная в результате синтеза схема звена характеризуется значительно более низким влиянием площади усиления ОУ на частоту и затухание полюса.
Настоящие свойства позволяют использовать экономичные активные элементы LF442 и, несмотря на большое их количество, значительно уменьшить потребляемый от источников питания ток. Сопоставление спектральной плотности (кривая С) с аналогичными зависимостями других вариантов (А, В) подчеркивает неизменность их динамического диапазона. Этот результат достигается несмотря на увеличение числа ОУ и их собственного шума. Полученные результаты связаны в первую очередь с изменением структуры схемы, т.к. дополнительные обратные связи позволяют для отдельных локальных передач
обеспечить разностные члены, благоприятно влияющие не только на частотный, но и на динамический диапазоны схемы.Для достижения максимального эффекта метода собственной компенсации синтезированные схемы ее, как правило, необходимо оптимизировать в пространстве дополнительно введенных резистивных элементов. Так, в звене рис. 14 степень компенсации изменения затухания определяется полной передачей масштабного усилителя 1 (
).