Микросхема АФ011В для высокоточных временных измерений. Бипо

О. Дворников, В. Чеховский, А. Петрович

Микросхема АФ011В для высокоточных временных измерений

На биполярном аналоговом БМК разработана микросхема, состоящая из быстродействующего компаратора, триггера Шмидта и двухканального коммутатора. Микросхема имеет универсальную структуру и позволяет за счет различного соединения выводов и подключения двух внешних резисторов получить дискриминаторы для высокоточных временных измерений сигналов в полосе частот от 10 Гц до 200 МГц.

В различной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) требуется с большой временной точностью определить момент поступления входного сигнала. Чаще всего для этого применяют дискриминаторы с постоянным порогом (ДПП), которые представляют собой компараторы напряжения с постоянным смещением (порогом переключения) одного из входов. При превышении входным сигналом порога выход компаратора переключается и сигнализирует о моменте поступления сигнала с амплитудой, превышающей порог. Для обеспечения высокой временной точности применяемые в ДПП компараторы должны иметь минимальную задержку переключения и слабую зависимость задержки от дифференциального входного напряжения. Ряд зарубежных фирм выпускает быстродействующие компараторы, которые можно использовать в этих целях: MAX905/906, MAX915/916, MAX9685/9687, MAX9686/9698, AD96685, AD96687. Специально для ДПП была разработана отечественная ИС 8-канального компаратора D0M Disc-8-3 [1,2].

Наложение шума на сигнал может привести к неоднократному срабатыванию компаратора при превышении сигналом порога и тем самым к появлению коротких ложных импульсов. Для устранения ложных срабатываний в компараторы вводят гистерезис, который, к сожалению, ограничивает минимальную амплитуду регистрируемых сигналов [3].

Главной задачей при разработке микросхемы АФ011В было создание универсального набора блоков, позволяющего при использовании минимального количества внешних элементов регистрировать с высокой точностью момент поступления сигнала в диапазоне частот от 10 Гц до 200 МГц.

Для решения поставленной задачи на аналоговом базовом матричном кристалле АБМК_1_2 [4] была реализована ИС, блок-схема которой приведена на рис. 1. ИС состоит из быстродействующего компаратора, триггера Шмидта и двухканального коммутатора.

Рисунок 1. Блок-схема АФ011В

Для обеспечения универсальности были применены следующие решения:

Каждый из блоков имеет доступные выводы входов и выходов. Все блоки согласованы по уровню положительного ЭСЛ (ПЭСЛ) сигнала, поэтому возможны различные схемы включения ИС: непосредственный съ╦м ПЭСЛ сигнала с выхода компаратора (OutC1, OutC2) или триггера Шмидта (OutSt1, OutSt2); подача регистрируемого сигнала через разделительный конденсатор на вход триггера Шмидта при задании его смещения встроенным источником опорного напряжения VbbSt1; прямое соединение компаратора OutC2 с коммутатором InpCom. Питание компаратора (VCC = 5 В, VEE = = -5 В, GndA = 0) отделено от питания остальной схемы (VCC1 = 5 В, GndD = 0). В компараторе возможно изменение полярности выходного сигнала при подаче напряжения 0/5 В на вывод HI+/LO-. Если вывод HI+/LO- соединить с VCC через внешний резистор REXT1, то изменяя его сопротивление можно проводить подстройку амплитудно-частотной характеристики. В триггере Шмидта установлен минимальный гистерезис ~ 40 мВ относительно его входа, который можно увеличить до ~ 300 мВ при включении внешнего резистора REXT2 = 100 Ом между выводами Thcntr and OutSt1. Коммутатор позволяет выбирать нужный вход заданием потенциала 0/5 В на выводе SelectIN, а также включать или выключать коммутатор ПЭСЛ сигналом по выводу Enable. Выходной каскад коммутатора (повторитель с "оборванным" эмиттером) обеспечивает ПЭСЛ сигнал на нагрузке 300 Ом (Out1, Out2), соедин╦нной с шиной нулевого потенциала.

Основой ИС является компаратор, показанный на рис. 2, который построен по классической схеме быстродействующих усилителей: преобразование входного напряжения в ток дифференциальным каскадом Q10, Q11; усиление тока каскадами Джильберта; обратное преобразование ток-напряжение на низкоомных резисторах R1, R6; передача усиленного напряжения на нагрузку Out1, Out2 через эмиттерные повторители Q1-1, Q1-2. Входные эмиттерные повторители Q9-1, Q9-2 уменьшают входной ток смещения и сдвигают потенциалы на базах Q10, Q11 для обеспечения симметричного диапазона допустимого входного сигнала ±1,1 В. Изменение разности потенциалов на базах Q2-Q3 приводит к изменению усиления и даже инверсии полярности. Для управления усилением используются эмиттерные повторители на транзисторах Q18, Q19, базовый потенциал которых определяется сопротивлением R24, R27 и величиной тока, переключаемой дифференциальным каскадом Q23-1, Q27-1.

Рисунок 2. Быстродействующий компаратор

Триггер Шмидта и выходной коммутатор используют традиционные ЭСЛ схемотехнические решения.

Основное назначение АФ011В - работа во входных каскадах электронно-сч╦тных частотомеров, поэтому для ИС нормируются параметры, привед╦нные в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры АФ011В

Величина входных сигналов выбора входа коммутатора и инвертирования сигнала компаратора логический "0" не более 0,2 В логическая "1" не менее 4,8 В Величина входных сигналов включения/выключения коммутатора логический "0" не более 3,3═В логическая "1" не менее 4,1═В Величина выходных сигналов коммутатора при напряжении питания ±5═В и нагрузке 300 Ом, соедин╦нной с нулевым потенциалом логический "0" от 3,1═до 3,4 В логическая "1" от 4,0═до 4,3 В Минимальное входное напряжение синусоидальной формы в диапазоне частот от 10 Гц до 200 МГц не более 30 мВ Максимальное входное напряжение синусоидальной формы в диапазоне частот от 10 Гц до 200 МГц не менее 1 В Величина напряжения питания: положительное 5±0,2═В отрицательное -5±0,2═В Ток потребления от положительного источника питания не более 110 мА от отрицательного источника питания не более 35 мА

Быстродействие ИС было изучено с помощью двухканального широкополосного осциллографа 54830B "Infiniium" фирмы Hewlett-Packard. Так как только выходной каскад коммутатора может работать с 50-Ом нагрузкой при применении дополнительного источника опорного напряжения, то выходной сигнал всех основных узлов ИС регистрировался с помощью делителя 1:10 с входной ╦мкостью 10 пФ и сопротивлением 10 МОм. При этом точность определения быстродействия была ограничена временем нарастания сигнала осциллографа, которое составляет < 0,450 нс для 50-Ом входа осциллографа и < 0,550 нс при использовании делителя.

Типичные результаты измерений показаны в табл. 2 и на рис. 3-5. Зависимость задержки распространения D от величины превышения порога (Vin-Vth) незначительна, так как при Vin-Vth = 100 мВ, D = 4,015 нс, а при Vin-Vth = 1000 мВ, D = 3,706 нс. Гистерезис триггера Шмидта изменяется внешним резистором от 39,1 до 307,2 мВ. Если из-за большого усиления компаратора перерасчитанное к входу (INP-, INP+) эффективное значение гистерезиса будет небольшим, то для получения требуемого гистерезиса можно применить регулировку усиления компаратора.

Рисунок 3. Сигналы в основных узлах при превышении порога на 100 мВ. V(INP-) - входной сигнал, V(OutC1), V(OutSt1), V(Out2) - выходные сигналы компаратора, триггера Шмидта, коммутатора, соответственно. Масштаб: по горизонтали - 1 нс/деление, по вертикали для канала ╧ 1 - 500 мВ/деление V(OutC1), V(OutSt1), V(Out2), для канала ╧ 2 - 50 мВ/деление V(INP-)

Рисунок 4. Выходной сигнал коммутатора V(Out2) при превышении порога на: A) 10 мВ, B) 100 мВ, C) 1 В. V(INP-) - входной реперный сигнал. Масштаб: по горизонтали - 1 нс/деление, по вертикали для канала ╧ 1 - 500 мВ/деление V(Out2), для канала ╧ 2 - 50 мВ/деление V(INP-)

Рисунок 5. Выходной сигнал коммутатора V(Out2) при минимальном REXT2 = 100 Ом и максимальном REXT2 = сопротивлении, устанавливающем порог триггера Шмидта. V(OutC1) - выходной сигнал компаратора. Маркеры A, B расположены на кривой, соответствующей REXT2 = . Масштаб: по горизонтали - 1 мкс/деление, по вертикали - 500 мВ/деление

Таблица 2. Результаты измерений быстродействия отдельных блоков ИС АФ011В при превышении порога на 100 мВ

Параметр Выход компаратора Выход триггера Шмидта Выход коммутатора Задержка, нс 1,20±0,05 3,55±0,05 4,0±0,05 Время нарастания выходного сигнала, нс 0,95±0,02 1,23±0,02 0,86±0,02

ИС собрана в 28-выводном планарном металлокерамическом корпусе 4119.28-1Н.

Следует отметить, что проектирование ИС на БМК позволяет при необходимости быстро и с минимальными затратами изменить как внутреннюю структуру, так и уровень электропараметров, например, получить двухканальный вариант.

Литература

Alexeev G.D., Baturitsky M.A., Dvornikov O.V. and other. The eight-channel fast comparator IC // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 423 (1999). P. 157√162. Alexeev G.D., Baturitsky M.A., Dvornikov O.V. and other. The D0 forward angle muon system front-end electronics design // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 473 (2001). P. 269√282. Brovchenko В.G., Kirichenko A.M., Tsygankov M.M. Amplitude discriminator with variable hysteresis voltage // Instruments and experimental techniques. 1994. Vol. 37. ╧ 3. Part 1. P. 309√311. Дворников О.В., Чеховский В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями // Chip News. 1999. ╧ 2. С. 21√24.







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2020 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.