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 d_p. 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 ().

Таким образом, применение рассмотренных методов структурного синтеза позволяет за счет уменьшения влияния площади усиления активных элементов существенно повысить свободу выбора ОУ и, следовательно, значительно улучшить технико-экономические показатели ИС.

Приведенные примеры позволяют сделать ряд важных для развития принципа собственной компенсации выводов.

Во-первых, введение компенсирующих контуров обратной связи требует либо применения дополнительных активных элементов, реализующих функции суммирования и масштабирования сигналов обратной связи, либо дополнительных (ранее не используемых) высокоомных входов дифференциальных ОУ [6].

Во-вторых, как это отмечалось ранее (анализ структур выражений (7), (9) и (43)), полная собственная компенсация теоретически невозможна. Действительно, при анализе принципиальных схем в рассмотренных примерах минимизация влияния площади усиления ОУ на параметры звеньев либо осуществлялась в ограниченном частотном диапазоне, либо за счет взаимной компенсации влияния ряда ОУ на итоговый результат, поэтому полученные схемотехнические решения не приводят к кардинальному расширению частотного и динамического диапазонов [4].

В этой связи аналоговая микросхемотехника должна предусматривать совершенствование активных элементов функциональных устройств. Например, можно считать перспективным направление создания мультидифференциальных ОУ, обеспечивающих дополнительные степени свободы за счет увеличения числа высокоомных входов [5]. Кроме этого, развитие принципа собственной компенсации необходимо распространить и на активные элементы, когда аналогичные компенсирующие контуры используются на компонентном уровне.