Сигнальні перетворювачі ємнісних сенсорних пристроїв на основі твердотільних інтегральних схем низьковольтних rail-to-rail операційних підсилювачів

Актуальність теми. Сенсорна електроніка є одним з найбільш прогресуючих напрямків розвитку сучасної електроніки. На відміну від пристроїв вимірювання фізичних величин попереднього покоління, сучасні сенсори характеризуються органічним поєднанням давача (первинного вимірювального перетворювача) та схеми подальшого перетворення сигналу (сигнального вторинного перетворювача), технологіями масового виготовлення (здебільшого на основі твердотільних інтегральних схем), а також структурно - схемними рішеннями, що забезпечують інтелектуалізацію процесу вимірювання.

Особливе значення в процесі розробки інтегрованих мікроелектронних пристроїв займають задачі перетворення сигналу, і зокрема, стабілізації режимів живлення, підсилення та нормалізації, придушення завад, нелінійні перетворення, синхронне детектування, фільтрування, аналого-цифрове перетворення. Всі ці функції виконуються твердотільними, здебільшого - кремнієвими, інтегральними схемами

Актуальність задачі подальшого розвитку пристроїв обробки сигналу мікроелектронних сенсорів ємнісного типу обумовлена зростаючими вимогами до параметрів електроніки в цілому та сенсорної мікроелектроніки зокрема. Такими вимогами є:

§ підвищення чутливості та відтворюваності сигнальних перетворювачів, що пов'язано з зменшенням розмірів сенсорів, а отже і електричної ємності їх первинних перетворювачів;

§ мінімізація енергоспоживання та забезпечення функціонування сенсорних пристроїв при низьковольтних джерелах живлення;

§ розширення номенклатури сенсорів при забезпеченні високого рівня уніфікації структурних та схемних рішень.

У відповідності до тенденції розвитку електроніки щодо вимог до мінімізації енергоспоживання та можливості функціонування з низьковольтними однополярними джерелами живлення, провідними компаніями електронної промисловості розроблено елементну базу, яка відповідає цим вимогам. Серед найбільш визначальних класів такої елементної бази нового покоління є мікропотужні операційні підсилювачі rail-to-rail типу. Принципово новизною таких операційних підсилювачів є поєднання у вхідному колі двох каскадів на взаємно протилежному за типом провідності низькопорогових МДН транзисторах, що дозволило вирішити проблему розширення розмаху вхідного та вихідного сигналів практично до величини напруги живлення схеми. Сучасні rail-to-rail операційні підсилювачі забезпечують високі технічні характеристики при живленні низьковольтними джерелами 3 В і менше та споживають струм не більше 0.1 мА.

Дана дисертаційна робота присвячена вивченню особливостей застосування операційних підсилювачів rail-to-rail типу в сигнальних перетворювачах мікроелектронних сенсорних пристроїв ємнісного типу. Такі сенсорні пристрої є одними з найбільш складних з точки зору схемної реалізації, що обумовлено необхідністю вимірювати з високою точністю електричну ємність первинного перетворювача сенсорного пристрою.

Таким чином, задача розробки та дослідження сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорних пристроїв на основі твердотільних інтегральних схем низьковольтних rail-to-rail операційних підсилювачів є актуальною, а вирішення цієї задачі дозволить підвищити характеристики вказаних пристроїв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі „Електронних приладів” Національного університету „Львівська політехніка” у відповідності з науковою програмою Міністерства освіти і науки України та в рамках ДБ/Дисплей „Розробка фізико-технологічних основ отримання оптично активних середовищ приладів оптоелектроніки на основі неорганічних, органічних напівпровідників та рідкокристалічних матеріалів з нанорозмірними домішками”, договір № Ф28.237-2009 „Отримання та дослідження тонкоплівкових органічних польових фототранзисторів”, договір № Ф.25.4/149-2008 „Дослідження спектральних, структурних електроадсорбційних, оптичних та газочутливих характеристик нанорозмірних плівок електропровідних полімерів та органічних напівпровідників для систем хімічного розпізнавання”. Наукові положення та висновки дисертації використовуються в навчальному процесі Національного університету „Львівська політехніка” в лекційному курсі та практичних заняттях дисциплін „Мікроелектронні сенсори та мікропроцесорні системи керування” та „Багатофункціональні та інтелектуальні сенсори для біомедицини” .

Мета роботи та завдання досліджень. Метою роботи є розробка та дослідження сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорних пристроїв на основі твердотільних інтегральних схем низьковольтних rail-to-rail операційних підсилювачів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було:

§ дослідити проблеми стабілізації параметрів та розширення функціональних можливостей сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорних пристроїв на основі нового покоління мікропотужних низьковольтних rail-to-rail операційних підсилювачів;

§ провести розробки та верифікацію моделі операційних підсилювачів типу rail-to-rail, принциповою новизною яких є поєднання у вхідному колі двох каскадів на взаємно протилежному за типом провідності низькопорогових МДН (метал-діелектрик-напівпровідник) транзисторах;

§ провести аналіз та підвищити стабільність функціонування операційних підсилювачів в схемах драйверів ємнісних сенсорів;

§ провести розробку та дослідження вузлів сигнальних перетворювачів на операційних підсилювачах для сенсорних пристроїв ємнісного типу, зокрема аналогового перемножувача, вимірювального перетворювача релаксаційного типу, активного фільтру з комбінованим зворотним зв'язком.

Об'єктом дослідження є мікросхемотехніка напівпровідникових інтегральних схем та методи вторинного перетворення сигналу сенсорних пристроїв на основі таких інтегральних схем.

Предметом дослідження дисертаційної роботи є багатоелементні структури твердотільних інтегральних схем.

Методи дослідження: математичне та комп'ютерне моделювання фізичних процесів та електронних кіл твердотільних інтегральних схем, осцилоскопія, вольт-амперні, амплітудно-частотні та фазочастотні характеристики.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Сформульована та обґрунтована проблема стабілізації параметрів та розширення функціональних можливостей сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорних пристроїв на основі нового покоління мікропотужних низьковольтних rail-to-rail операційних підсилювачів.

2. Запропонована нова математична модель твердотільної інтегральної схеми операційного підсилювача типу rail-to-rail, яка поєднує елементи реальних структур інтегральних схем - КМДН транзистори та функціональні елементи - керованими джерелами, та ефективно описує більшість експлуатаційних параметрів схем на вищезгаданих підсилювачах.

3. В результаті модельних та експериментальних досліджень схем ємнісних драйверів на rail-to-rail операційних підсилювачах показані причини їх нестабільного функціонування; запропоновано нове рішення драйверу для роботи з значним ємнісним навантаженням (понад 10 нФ), який розв'язує вихід операційних підсилювачів від реактивного навантаження і, тим самим, забезпечує високу стабільність роботи схеми.

4. На прикладі аналогового перемножувача, вимірювального перетворювача ємності релаксаційного типу та активного фільтру нижніх частот з комбінованим зворотним зв'язком показані шляхи розширення функціональних можливостей та покращення параметрів сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорних пристроїв на основі мікропотужних низьковольтних rail-to-rail операційних підсилювачів.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Математична модель операційних підсилювачах типу rail-to-rail, яка ефективно описує їх основні експлуатаційні параметри та дозволяє підвищити точність дослідження параметрів сигнальних перетворювачів на таких підсилювачах.

2. Методи стабілізації та схемні рішення ємнісних драйверів на rail-to-rail операційних підсилювачах; драйвер для роботи з значним ємнісним навантаженням (понад 10 нФ), який розв'язує вихід операційних підсилювачів від реактивного навантаження, забезпечуючи тим самим високу стабільність роботи схеми.

3. Аналоговий перемножувач на rail-to-rail операційних підсилювачах, який характеризується високою точністю функціонування при малих напругах живлення, зокрема похибка функції перетворення відносно номінального значення не перевищує V_OUT = 0.13 %, а температурний дрейф - V_OUT < 0.01 % в діапазоні від 20C до 40C.

4. Вимірювальний перетворювач ємності релаксаційного типу на операційних підсилювачах, який у порівнянні з традиційним рішенням характеризується 3 рази вищою фазовою чутливістю.

5. Активний фільтр нижніх частот на операційному підсилювачі з комбінованим зворотним зв'язком, який на межі робочої смуги частот характеризується покращеною рівномірністю амплітудно-частотної характеристики, причому оптимальний коефіцієнт передачі кола від'ємного зв'язку операційного підсилювача становить K_V = 1.5 1.7.

Особистий внесок автора. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. Постановка задачі досліджень, вибір об'єктів і методів дослідження здійснювалися разом з науковим керівником. Автор самостійно провів огляд і аналіз літературних джерел, виготовив та дослідив параметри зразків сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорних пристроїв на основі твердотільних інтегральних схем низьковольтних операційних підсилювачів. У працях зі співавторами пошукувач: сформулював вимоги та загальні тенденції розвитку сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорних пристроїв [1, 2], дав аналіз проблем та запропонував основні підходи математичного моделювання сигнальних перетворювачів на основі rail-to-rail операційних підсилювачів, запропонував базові структурно-алгоритмічні рішення сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорних пристроїв [3 - 8].

Апробація. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на XII Міжнародній школі з математичного моделювання, Алушта, 2007, XIII Міжнародній школі з математичного моделювання, Алушта, 2008, XIV Міжнародній школі з математичного моделювання, Алушта, 2009, XII Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок і фотоструктур, Івано-Франківськ, 2009.

Дисертаційна робота в повному обсязі доповідалась та обговорювалась на наукових семінарах кафедри „Електронних приладів” Національного університету „Львівська політехніка” (Львів. 2007-2009 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 8 наукових публікаціях автора, з них: 1 монографія, 4 статті у фахових виданнях, 3 патенти.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку літератури. Загальний обсяг дисертації становить 150 сторінок та містить 125 рисунків. Список використаних джерел складається з 127 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі проведених досліджень, представлені методи, об'єкт і предмет досліджень, визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведені дані щодо апробації.

В першому розділі дано аналіз проблеми дисертаційної роботи. Показано, що особливе значення в процесі розробки інтегрованих мікроелектронних пристроїв займають задачі перетворення сигналу, і зокрема, стабілізації режимів живлення, підсилення та нормалізації, придушення завад, нелінійні перетворення, синхронне детектування, фільтрування, аналого-цифрове перетворення. Всі ці функції виконуються твердотільними, здебільшого - кремнієвими, інтегральними схемами.

Базовими та найбільш важливими елементами аналогового тракту сигнального перетворення є операційні підсилювачі. Їх використовують для побудови переважної більшості вузлів сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорів дотику, тиску, деформації, переміщення, вологості тощо. Такими вузлами є стабілізатори напруги та струму, генератори сигналів, активні фільтри, масштабуючі, логарифмуючі, диференціюючі, інтегруючі та інші типів перетворювачів. Має місце стрімкий розвиток твердотільних інтегральних схем аналогової та цифрової обробки сигналу. Серед найбільш визначальних класів таких низьковольтних мікропотужних інтегральних схем необхідно відзначити серію високопрецизійних rail-to-rail операційних підсилювачів, зокрема, типу AD8551/52/54 (Zero-Drift Single-Supply Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier) та мікроконвертерів, які інтегрують в своєму складі високопрецизійні аналого-цифрові перетворювачі, мікроконтролери, пам'ять та інтерфейси, зокрема типу MicroConverter ADuC812, ADuC824 (базові типи).

Однак, використання новітньої елементної бази аналогових сигнальних перетворювачів в ємнісних сенсорних пристроях пов'язано з рядом проблем. Зокрема, має місце нестабільність роботи rail-to-rail операційних підсилювачів нового покоління в схемах драйверів ємнісних сенсорів, обмеження функціональних можливостей вторинних перетворювачів (у порівнянні з значно більш широким рядом традиційних інтегральних схем попереднього покоління), паразитний вплив лінії передачі сигналу на результати вимірювання тощо.

Таким чином, була поставлена задача дослідження та вирішення вищенаведених проблем використання rail-to-rail операційних підсилювачів в схемах сигнальних перетворювачів сенсорів ємнісного типу.

Другий розділ присвячений математичним моделям операційних підсилювачів, необхідність створення нових схем заміщення та їх математичного опису обумовлена рядом факторів.

По-перше, з розвитком спеціалізованих програмних продуктів для моделювання електронних схем постійно зростають вимоги до самих моделей, а їх кількість невпинно зростає. Правильний вибір типу моделі операційного підсилювача є ключовим елементом коректного моделювання. Зокрема, при використанні елементарних моделей функціонального типу неможливо досягти точності моделювання, а отже, такі спрощені моделі операційних підсилювачів можуть бути оправданими для розрахунків параметрів схем лише в першому наближенні. З другого боку, при застосуванні надто складних моделей операційних підсилювачів на рівні транзисторних структур не оправдано зростає трудоємкість моделювання. Адже, напівпровідникова інтегральна схема сучасного операційного підсилювача містить більше ста транзисторних структур, а кожна структура описується не менше трьома десятками параметрів, тобто модель операційного підсилювача на рівні транзисторних структур вимагає декілька тисяч параметрів. Крім того, при застосуванні складних моделей операційних підсилювачів часто виникають проблеми знаходження коренів систем рівнянь, які описують ці моделі, що не лише не дозволяє підвищити точність розрахунку, але такий розрахунок стає неможливим навіть в першому наближенні.

По-друге, актуальність даної роботи обумовлена виникненням операційних підсилювачів нового покоління, зокрема класів rail-to-rail чи chopper. Моделювання схем на таких підсилювачів вимагає коректної специфікації моделі та підстроювання параметрів моделі під результати вибіркових експериментальних досліджень.

По-третє, значна частка вузлів обробки сигналів, і в першу чергу схем сенсорних пристроїв ємнісного типу, це не схеми підсилення сигналів, а їх нелінійного перетворення - модуляції, демодуляції, частотного фільтрування, синхронного декодування, компресії, декомпресії тощо. Незважаючи на широкий ряд таких вторинних перетворювачів сигналу, більшість з них містить операційні підсилювачів. У вторинних перетворювачах нелінійного типу операційні підсилювачі функціонують з складними частотно залежними чи логічно керованими колами зворотного зв'язку, що в значній мірі ускладнює математичне моделювання таких схем.

В рамках дисертаційної роботи вирішена задача розробки та верифікації моделі операційних підсилювачів типу rail-to-rail, які виготовляться по комплементарній МДН (метал-діелектрик-напівпровідник) технології (CMOS: Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor). Принципово новизною таких операційних підсилювачів є поєднання у вхідному колі двох каскадів на взаємно протилежному за типом провідності низькопорогових МДН транзисторах, що дозволило вирішити проблему розширення розмаху вхідного та вихідного сигналів практично до величини напруги живлення схеми.

Для створення моделей операційних підсилювачів використовувалися елементарні джерела напруги V та струму I, а також їх керовані прототипи у форматах MicroCAP та SPICE: H - VOFI - джерело напруги кероване струмом V_OUT = PI_IN; F - IOFI - джерело струму кероване струмом I_OUT = PI_IN; E - VOFV - джерело напруги кероване напругою V_OUT = PV_IN; G - IOFV - джерело струму кероване напругою I_OUT = PV_IN (де: V_IN - вхідна напруга, V_OUT - вихідна напруга, I_IN - вхідний струм, I_OUT - вихідний струм, P - коефіцієнт маштабування). Крім вказаних керованих джерел напруги та струму та пасивних елементів (діодів, резисторів та конденсаторів) модель введемо активні елементи, якими в CMOS технології є польові n-канальні та p-канальні МДН транзистори, а також спеціальне джерело напруги PWL типу, з допомогою якого відтворюється шумова характеристика операційного підсилювача.

Моделі синтезовані у форматі SPICE. Для реалізації моделі rail-to-rail операційного підсилювача синтезовано чотири схеми заміщення: вхідний модуль; модуль формування передавальної та температурної характеристик; модуль кола живлення операційного підсилювача; вихідний модуль.

Проведена детальна верифікація розробленої математичної моделі в схемах повторювачів напруги та інвертуючих підсилювачів. Показано хороше співпадання результатів моделювання з експериментально визначеними параметрами схем Зокрема, наведено приклад результату моделювання, що свідчить про зміну форми вихідного сигналу rail-to-rail операційного підсилювача при зміні опору навантаження. Така зміна форми обумовлена вихідним опором операційного підсилювача, що підтверджує коректність опису вказаного параметру в запропонованій вище моделі.

У третьому розділі висвітлені задачі підвищення стабільності функціонування операційних підсилювачів в схемах драйверів ємнісних сенсорів. Робота операційних підсилювачів в схемах драйверів ємнісних сенсорів, визначальною особливістю яких є ємнісне навантаження схеми, пов'язано з рядом проблем, зокрема - зменшенням смуги робочих частот, швидкості наростання вихідного сигналу та збільшенням фазового зсуву між вихідним та вхідним сигналами. Однак, найбільш проблематичним з точки зору ємнісного навантаження операційного підсилювача є втрата стабільності його роботи та автоколивальний процес. В процесі проведеного дослідження виявлено, що проблема нестабільності в найбільшій мірі проявляється в операційних підсилювачах нового покоління, які розроблені для роботи з низьковольтними мікропотужними джерелами живлення, в тому числі інтегральні схеми rail-to-rail типу.

Так, показано результат дослідження вихідного сигналу мікропотужного низьковольтного rail-to-rail операційного підсилювача AD8541 в схемі буферного повторювача імпульсного сигналу. Експеримент проводився в наступних умовах: напруга живлення; операційний підсилювач AD8541 використовувався в схемі повторювача (100 % від'ємний зв'язок); на вхід схеми подавалися імпульси прямокутної форми амплітудою 200 мВ; операційний підсилювач навантажений на ємність C_LOAD = 10 нФ. Дослідження проводилися з допомогою цифрового осцилографа нового покоління TDS 2022B (фірми Tektronix, США), перевагами якого є широка смуга частот, багатоканальність та можливість передачі інформації на персональний комп'ютер.

Основними параметрами операційних підсилювачів, які визначають стабільність їх функціонування в схемах ємнісних драйверів є вихідний опір та фазо-частотна характеристика таких підсилювачів. Показано, що актуальність стабілізації функціонування операційних підсилювачів загострилася при розробці електронних схем, які відповідають вимогам однополярного низьковольтного живлення та мінімального енергоспоживання (менше 1 мА на один схемний вузол). Операційні підсилювачі, які розроблені для вказаних вимог типу rail-to-rail, проявляють значну нестабільність при їх ємнісному навантаженні.

Проведено детальні моделювання та експериментальні дослідження ряду схем ємнісних драйверів на операційних підсилювачах. Отримані результати дозволяють оптимізувати параметри таких схем та виробити рекомендації що до їх застосування.

Розроблено та досліджено драйвер для роботи з значним ємнісним навантаженням (понад 10 нФ), який розв'язує вихід операційних підсилювачів від реактивного навантаження, забезпечуючи тим самим високу стабільність роботи схеми (рис. 6, а). Принциповою відмінністю драйвера є розв'язка ємнісного навантаження з допомогою каскаду на транзисторах T1, T2, T3 та T4. Ці транзистори утворюють два струмових дзеркала з маштабуванням струму. Враховуючи, що

коефіцієнт маштабування струму I_OUT/I_IN можна визначити з рівняння

'

де V_EB - напруга емітер-база; m - коефіцієнт неідеальності емітерних переходів транзисторів; _T - температурний потенціал; I_IN - струм на вході каскаду (він же - вихідний струм операційного підсилювача); I_OUT - струм на виході каскаду (він же - струм ємнісного навантаження).

Наведено результат моделювання залежність коефіцієнту маштабування струму вихідного каскаду ємнісного драйвера від опору резистора R2. Як видно з цієї залежності, зокрема, при R2 = 100 та I_IN = 2 мА коефіцієнт маштабування становить I_OUT/I_IN = 47. Позитивний ефект досягається тим, що вихідний струм операційного підсилювача, а отже і вплив його вихідного опору на частотну нестабільність, зменшується на величину коефіцієнту маштабування струму вихідного каскаду Необхідно також відзначити, що величина коефіцієнтну маштабування струму певного впливу на величину вихідного сигналу не має, адже схема охоплена 100 % від'ємним зворотним зв'язком.

Це підтверджують результати моделювання ємнісного драйвера. Верхній графік відтворює вхідний сигнал, середній графік - сигнал на виході операційного підсилювача, а нижній графік - сигнал на ємності навантаження C_L. Як видно з цих результатів навіть при величині ємнісного навантаження C_LOAD = 30 нФ схема залишається стабільною, а форма і амплітуда вихідного сигналу повністю відповідає відповідним параметрам вхідного сигналу.

Запропонована схема може бути корисною при реалізації драйверів довгих ліній передачі сигналу на основі коаксіальних кабелів з великою погонною ємністю, для формування опорної напруги вторинних перетворювачів сигналу сенсорів при однополярних низьковольтних джерелах живлення, а також для широкого ряду схем, які потребують підвищеного вихідного струму та мінімального вихідного опору.

В четвертому розділі приведені основні результати розробки та дослідження ряду найбільш важливих вузлів сигнальних перетворювачів сенсорних пристроїв ємнісного типу, основою яких є мікропотужні операційні підсилювачі rail-to-rail типу. Серед таких вузлів: аналоговий перемножувач сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорів, вимірювальний перетворювач ємності релаксаційного типу та активний фільтр нижніх частот з комбінованим зворотним зв'язком.

Аналоговий перемножувач може вирішувати наступні задачі перетворення сигналів сенсорних пристроїв ємнісного типу:

§ лінійна амплітудна модуляція, що забезпечує автоматичне керування коефіцієнтом підсилення сигналу при необхідності вимірювання широкого діапазону ємностей;

§ імпульсна модуляція та комутатори сигналу, що дозволяє формувати багатоканальні вимірювальні пристрої, зокрема матричні ємнісні сенсорні панелі;

§ модуляції знакоперемінною функцією з метою використання методу синхронного детектування гармонічного сигналу, який є основою сигнальних перетворювачів сенсорних пристроїв для вимірювання дуже малих значень(C < 1 пФ) ємностей;

§ формування квадратичної функції з метою формування імпульсів керування детекторами для виділення другої гармоніки сигналу, що використовується, зокрема, у сенсорних пристроях на основі вимірювання фольт-фарадних характеристик p-n переходів.

Приклад дослідження функціональної залежності амплітуди та полярності гармонічного сигналу V_X від напруги керування V_Y={-1V; -0.5V, 0V, 0.5V, 1V} аналогового перемножувача на основі rail-to-rail операційних підсилювачів наведено. При напрузі керування V_Y = 0 вхідний сигнал V_X не передається на вихід V_OUT схеми, при збільшенні напруги керування V_Y > 0 амплітуда сигналу на виході пропорційно збільшується, а при V_Y < 0 - полярність змінюється на протилежну. Це підтверджує, що розроблена схема аналогового перемножувача може успішно використовуватися в задачах перетворення сигналу ємнісних сенсорних пристроїв, про які мова йшла при постановці задачі.

Вирішена задача підвищення чутливості вимірювального перетворювача ємності релаксаційного типу, що було досягнуто шляхом введення в схему нових взаємозв'язків. Новизною запропонованого нами схемного рішення вимірювального перетворювача ємності на є використання напруги з резистивного подільника додатного зворотного зв'язку задаючого генератора для формування опорної напруги компаратора

Результат моделювання параметрів запропонованого схемного рішення наведено. Як слідує з результатів моделювання, фазова чутливість удосконаленого вимірювального перетворювача зростає більш ніж в 3 рази. Принципово важливою обставиною є те, що схема вимірювального не потребує жодних ускладнень (позитивний ефект досягнуту лише зміною взаємозв'язків схеми), а також можливість реалізації такого перетворювача використовуючи мінімальну кількість схемних компонентів.

З метою покращення параметрів активного фільтра нижніх частот на rail-to-rail операційних підсилювачіа запропоновано замінити 100% від'ємний зворотний зв'язок на нормований K_V > 1 частотно незалежний зв'язок, який формується резистивним подільником R₃, R₄ кола від'ємного зворотного зв'язку. Як показано, введення такого нормованого зв'язку не лише забезпечує відповідне підсилення сигналу (що є очевидним з точки зору роботи схем на операційних підсилювачах), але і покращує рівномірність амплітудно-частотної характеристики фільтра в смузі робочих частот. Показано, що максимальний ефект спостерігається при коефіцієнті K_V = 1.51.7.

Більшість запропонованих в дисертаційні роботі рішень були апробовані в ряді схем сигнальних перетворювачів для сенсорних пристроїв ємнісного типу. Для дослідження ефективності таких сигнальних (вторинних) перетворювачів були виготовлені планарні структури первинних перетворювачів, ємність яких змінюється при взаємодії цих структур з зовнішнім середовищем. Наведено фотографії таких первинних перетворювачів, зокрема, зустрічно-полоскові, кільцеві, меандрові та інші типові структури. Застосування наведених структур має місце в ємнісних сенсорних пристроях дотику (сенсорні панелі безконтактного керування), тиску, вологості, просторового переміщення тощо.

Враховуючи малі геометричні розміри структур первинних перетворювачів, зміна їх електричної ємності під дією вимірювальних фізичних величин є доволі незначною. Типово роздільна здатність вторинних сигнальних перетворювачів ємнісних сенсорів на таких структурах повинна становити не менше 10^-14 Ф. І як це було поставлено в меті даної дисертаційної роботи, сигнальні перетворювачі повинні відповідати критеріям сучасної електроніки щодо високої стабільності, функціональної гнучкості, а також - можливості функціонування з мікропотужними низьковольтними джерелами живлення.

Для цього за основу створення сигнальних перетворювачів взято сучасні CMOS rail-to-rail операційні підсилювачі, зокрема AD8544 (мінімальна напруга однополярного живлення E_{CC_MIN} = 2.7 В; струм споживаня I_CC = 0.05 мА) та AD8554 (E_{CC_MIN} = 2.7 В; I_CC = 0.7 мА). Крім того використовувалися сучасні CMOS rail-to-rail комутатори, зокрема ADG608 та ряд інших елементів відповідно до схемного рішення перетворювача. Основним елементом цифрового модуля є мікроконвертер ADUC812, який поєднує в собі високоякісний восьми канальний аналого - цифровий перетворювач, мікроконтролер, інтерфейсні вузли, таймери та FLESH пам'ять.

Основні технічні характеристики розробленого універсального вимірювального перетворювача ємнісних сенсорних пристроїв представлені в табл. 1.

Таблиця 1. Характеристики універсального вимірювального перетворювача.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Показано, що використання сучасних низьковольтних мікропотужних інтегральних схем rail-to-rail операційних підсилювачів в сигнальних перетворювачах ємнісних сенсорів пов'язано з проблемами забезпечення стабільності їх функціонування та розширення функціональних можливостей. Вирішення цих проблем стало метою даної дисертаційної роботи.

2. Розкрита актуальність математичного моделювання та вибору оптимальної моделі сучасних операційних підсилювачів для задач розробки схем перетворювачів сигналу ємнісних сенсорів. Зокрема, показано, що сучасні операційні підсилювачі типу rail-to-rail, які відрізняються повним розмахом вхідної та вихідної напруги в діапазоні напруг живлення схеми та виготовляються по CMOS технології, потребують створення нових математичних моделей.

3. Розроблена нова математична модель операційних підсилювачів типу rail-to-rail, яка поєднує елементи реальних структур інтегральних схем - КМДН транзистори з функціональними елементами - керованими джерелами, та ефективно описує більшість експлуатаційних параметрів схем на вищезгаданих підсилювачах. Проведена верифікація розробленої математичної моделі; модель використана в подальших дослідженнях дисертаційної роботи.

4. Проведено детальні моделювання та експериментальні дослідження ряду схем ємнісних драйверів на операційних підсилювачах. Отримані результати дозволяють оптимізувати параметри таких схем та виробити рекомендації що до їх застосування. Розроблено та досліджено драйвер для роботи з значним ємнісним навантаженням (понад 10 нФ), який розв'язує вихід операційних підсилювачів від реактивного навантаження, забезпечуючи тим самим високу стабільність роботи схеми.

5. Запропоновано нові схемні рішення та проведено дослідження ряду найбільш важливих вузлів сигнальних перетворювачів сенсорних пристроїв ємнісного типу:

· аналогового перемножувача, який характеризується високою точністю функціонування при малих напругах живлення, зокрема похибка функції перетворення відносно номінального значення не перевищує V_OUT = 0.13 %, а температурний дрейф - V_OUT < 0.01 % в діапазоні від 20C до 40C;

· вимірювального перетворювача ємності релаксаційного типу, який у порівнянні з традиційним рішенням характеризується в 3 рази вищою фазовою чутливістю;

· активного фільтру нижніх частот з комбінованим зворотним зв'язком, який на межі робочої смуги частот характеризується покращеною рівномірністю амплітудно-частотної характеристики, причому оптимальний коефіцієнт передачі кола від'ємного зв'язку операційного підсилювача становить K_V = 1.5 1.7.

Список основних опублікованих робіт за темою дисертації

1. Мікроелектронні сенсори вологості: наково-навчальне видання / Вуйцік В., Гельжинський І.І., Голяка Р.Л., Готра З.Ю., Гурський В., Прошак В., Прошак Д.; за ред. З.Ю. Готри. - Львів: Ліга-Прес, 2007. - 420 с.