Структурные средства повышения точности аналоговых коммутирующих устройств

Одной из главных задач современного этапа совершенствования производства является значительное повышение качества всех видов выпускаемой продукции. Для оценки качества любого изделия необходима достоверная информация о его различных характеристиках, которые могут и должны быть измерены. Основу любых измерений составляют средства измерения. От развития приборостроительной отрасли в значительной мере зависит решение широкого круга задач по ускорению технического прогресса, переводу экономики на интенсивный путь развития, более рациональному использованию всех видов ресурсов. В принятых ХХУ1 съездом КПСС &bdquo-Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года" предполагается «.увеличить производство приборов, оборудования, средств автоматизации.1'. Приборы для измерения комплекса характеристик входят как звенья в информационно-измерительные и автоматизированные системы управления технологическими процессами. Измерительные комплексы должны работать в сложных условиях при повышенном уровне помех. Исследование, разработка и серийное производство таких систем и их узлов имеют важное народнохозяйственное значение.

Неотъемлемым узлом современных информационно-измерительных систем являются многоканальные аналоговые коммутаторы или, как их принято называть в иностранной литературе, аналоговые мультиплексоры. Интерес к МАК обусловлен тем, что, используя метод временного разделения первичной информации, поступающей по многим каналам, мультиплексоры позволяют без сущестленного ухудшения метрологических характеристик всего измерительного тракта многократно и с максимальной эффективностью использовать самые ответственные и сложные узлы ИИС (масштабирующие усилители, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, устройства выборки и хранения). При этом снижаются аппаратурные затраты, габариты и потребляемая мощность. По выполняемой функции МАК относятся к преобразователям формы информации из пространственного представления в селектированную во времени, либо осуществляющего операцию обратного преобразования* Как преобразователь информации, аналоговый коммутатор во многом определяет основные параметры измерительной системы: точность, быстродействие, чувствительность и помехозащищенность.

Непосредственно подключение входного сигнала осуществляет коммутирующее устройство, проводимость которого скачком изменяется при управляющем воздействии. Как основные и вспомогательные элементы, аналоговые ключи входят в состав аналоговых интегральных схем различного функционального назначения. Постоянное расширение областей их применения вызывает наращивание объемов выпуска и увеличение номенклатуры. Достаточно сказать, что в настоящее время практически все ведущие фирмы капиталистических стран и отечественные предприятия, занимающиеся выпуском продукции для обработки аналоговых сигналов, используют и изготавливают аналоговые ключи и коммутаторы. Удельный объем, занимаемый ключевыми элементами в электронной аппаратуре, составляет от Ю до 70 $. От качества КУ в значительной степени зависит совершенствование характеристик в первую очередь многоканальных модулей сбора аналоговой информации и системных высокочувствительных многофункциональных цип. При выборе КУ с необходимой совокупностью ключевых параметров должны учитываться метрологические требования на всю измерительную ойотему. Разнообразие подходов при оценке КУ и МАК отражено в классификациях, иллюстрирующих хронологию развития техники аналоговой коммутации и выбор соответствующих каждому этапу основных классификационных признаков.

В первых фундаментальных работах советских ученых Т. М. Агаханяна [I], К. Б. Карандеева [95], В. Н. Михайловского и А. Н. Свенсона [71], посвященных аналоговым ключам и коммутаторам, рассматривались классификации, основанные на конструктивных (аппаратных и схемных) и на функциональных (по области применения и типам КУ) свойствах коммутирующих устройств. Значительное место в них уделялось схемным реализациям коммутаторов на перспективных для своего времени нелинейных КУ — лампах, газотронах, фотосопротивлениях, полупроводниковых диодах, транзисторах и исследованию их погрешностей.

Дальнейшее развитие анализа погрешностей МАК основывалось на органических признаках, дифференцирующих аналоговые ключи по структурным отличиям, нашедшим отражение в работах В. И. Анисимова [7, с.179−220], В. Ф. Арховского [8], Я. Будин-ского [16, с.10−95], Б. А. Калинчука [57, е.5−60]. В трудах коллектива авторов под руководством В. Б. Смолова [69, с.14−68- 78, с.50−75- 85, с.100−179] детально изучались погрешности многоступенчатых структур коммутаторов, оценивались их динамические свойства и предлагались обобщенные критерии оценки качества КУ.

Современные тенденции оценки МАК отражены в классификациях, которые базируются на признаках, определяющих информационные параметры коммутатора, точность, часхотный и динамический диапазоны сигналов, быстродействие и число каналов, С таких позиций впервые в работе Я. Е. Беленького [59] рассмотрены предельные возможности МАК и получено соотношение неопределенности, устанавливающее связь между погрешностью, быстродействием и числом каналов коммутатора. Там же рассмотрены вопросы информационного согласования коммутатора с параметрами сигнала.

Вместе с тем, практические результаты при комплексном улучшении метрологических характеристик МАК не полностью отвечают требованиям и возможностям сегодняшнего дня. В основном это объясняется противоречивостью требований к совокупности основных метрологических характеристик, которые не удается обеспечить в универсальном КУ. Стремления улучшить эти характеристики ставит на повестку дня изучение моделей КУ и МАК. Новые результаты в этой области появляются и сейчас. В работе А. И. Кондалева [60, с.13−90] для анализа многоканального устройства преобразования информации использован способ описания с помощью обобщенных операторов. Оператор подключения осуществляет в каждый момент времени функцию выбора и передачи по каналу связи из множества сигналов только одного заданного. Временной режим работы и выбор нужного сигнала осуществляется оператором управления. Недостаток абстрактного уровня описания в том, что он не позволяет учесть принцип действия КУ и конкретизировать взаимосвязь отдельных узлов МАК. Наиболее рациональный подход к комплексной оценке и изучению метрологических возможностей коммутатора базируется на анализе передаточных функций, которые определяются аналитически на основе характеристик применяемых КУ.

85, с. 100−142]. Он применим к тем направлениям улучшения характеристик коммутаторов, на которых концентрируются основные усилия разработчиков: создание более совершенных КУ и структурное улучшение результирующих характеристик существующих КУ.

Первый путь предпочтителен при создании высокочувствительных КУ для переключения сигналов нанои микровольтового уровня. Как показано в работе, наиболее перспективными переключателями для этого диапазона являются реле на основе герконов язычкового" типа. Контактный металлический переход, высокое сопротивление изоляции и заполнение баллона контролируемой атмосферой восстановительного типа позволяет приблизить статические ключевые параметры геркона к идеальным. Обеспечить инфранизкий порог чувствительности (1.Ю нВ) удается в конструкциях реле, в которых приняты специальные меры для снижения уровня статического и динамического шума герконов. Препятствиями, которые ограничивают области применения контактных КУ, являются: сравнительно низкое максимальное быстродействие (порядка единиц мс) и ограниченный срок службы г — о.

10.Ю срабатываний). Указанных недостатков лишены бесконтактные КУ. На их основе создаются аналоговые коммутаторы, время опроса каналов в которых может изменяться в широких пределах от статического режима до десятков наносекунд. Современные линейные интегральные микросхемы, выполненные преимущественно по МДП или КМДП технологии, представляют собой сложные (с числом элементов в десятки и сотни) и быстродействующие субблоки МАК, которые позволяют решать широкий круг задач коммутационной техники. Однако постоянное ужесточение требований к метрологическим характеристикам коммутаторов заставляет исследовать такие источники погрешностей, сведения о которых отсутствуют среди нормируемых на серийные элементы. К их числу относятся: сведения о нелинейности коэффициента передачи КУ, о коэффициенте подавления перекрестной помехи, о величине сопротивления изоляции между управляющей и сигнальной цепью. Влияние перечисленных параметров на конечную погрешность находится в сильной зависимости от выбранной структуры МАК. Поэтому второй путь комплексного улучшения и оценки метрологических возможностей МАК в наибольшей степени связан с математическим анализом передаточных функций адекватных физических моделей исследуемых узлов коммутатора*.

Именно этому пути определения характерных погрешноотэй микроэдектронных КУ и МАК посвящена первая глава. Сопоставление статических моделей аналоговых ключей на основе МДП и КМДП-структур показало необходимость интегрального оценивания погрешности нелинейности. Предложены процедуры экспериментального и аналитического определения этой погрешности и рекомендованы способы линеаризации передаточной характеристики КУ. Из анализа модели МАК найдены статические и динамические составляющие перекрестной помвхи и определено их влияние на общую погрешность коммутатора.

Следующим шагом в развитии метода исследования погрешностей с помощью передаточных функций является анализ модели низ-вопорогового реле на герконе, приведенный во второй главе. Для оинтезированной тепловой модели реле получено общее решение нестационарной пространственной картины температурного пода, создаваемого теплом, выделяющимся в катушке управления реле* Исследована эквивалентная магнитная цепь управления гер-коном и получено оовместное тепломагнитное уравнение для стационарного цроцесса. Оптимизация решения подученного уравнения позволила указать направления уменьшения остаточной тер-мо-э.д.с. на сигнальных выводах включенного реле.

Исследованию способов подавления внутренних и внешних помех в герконовнх и микроэлектронных МАК посвящена третья глава. Показано, что применение оптимальных по длительности интервала усреднения кусочно-постоянных весовых функций позволяет существенно повысить быстродействие при заданном уровне подавления динамического шума в коммутаторе, использующем реле на герконах. На основе изучения модели КАК, включающей в себя линии овязи и выходные сопротивления о гальванически изолированными первичными датчиками, найдены основные составляющие помехи, действующие на входе измерительной системы с коммутатором. Предложены способы оценки суммарной внешней помехи и пути ослабления ее влияния на конечную погрешность измерения*.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом по проблеме &bdquo-Теория и принципы построения и методы расчета элементов и устройств информационно-измерительных систем0, утвержденным приказом Минвуза СССР «1309 от 30.12.1982 года, в котором по п. 4.7 за Львовским политехническим институтом закреплена тематика по созданию многоканальных коммутаторов аналоговых сигналов.

Целью работы является развитие методов исследования и разработки инфранизкопороговых коммутирующих устройств на оонове герконов для входных устройств многофункциональных цифровых измерительных приборов. Разработка способов оценки и снижения погрешностей нелинейности и от воздействия межканальной перекрестной помехи в микроэлектронных коммутаторах. Разработка путей повышения помехозащищенности герконовых и микроэлектронных коммутаторов.

Основными задачами, решаемыми в работе, являются:

1. Исследование и разработка структурных средств повышения статической точности микроэлектронных КУ путем линеаризации их передаточных характеристик и улучшения защищенности МАК от статической и динамической составляющих перекрестной помехи (глава I).

2. Разработка принципов построения высокочувствительных герконовых КУ на основе зависимости между варьируемыми конструктивными параметрами и предельно достижимыми уровнями остаточной термо-э.д.с. на сигнальных выводах включенного КУпараметрического и компенсационного способов уменьшения остаточной термо-э.д.с. (глава 2).

3. Исследование соотношений между быстродействием, помехозащищенностью и точностью цри подавлении динамического шума в высокочувствительных МАК (глава 3).

4. Развитие методов оценки защищенности МАК от воздействия внешних помех и разработка способов снижения влияниях этих помех на измерительные системы с входным коммутатором (глава 3).

Глава 4 содержит описание экспериментальных исследований и внедрений результатов работы.

I. СТРУКТУРНЫЕ СРЕДСТВА. ПОВШЕНИЯ ТОЧНОСТИ, МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ МНОГОКАНАЛЬНЫХ АНАЛОГОВЫХ КОММУТАТОРОВ И КОММУТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ.

Возможность коммутации с заданной точностью аналоговых сигналов различного вида и уровня определяется типом КУ. Последние годы характеризуются совершенствованием технологии изготовления дискретных и интегральных полупроводниковых КУ и МАК. Эволюция точностных характеристик аналоговых бесконтактных ключей достигла в настоящее время такого уровня, который позволяет широко использовать их вместо контактных КУ [10,72]. В значительной мере этому способствовало применение инверсного включения биполярных транзисторных прерывателей и появление широкого класса полевых транзисторов с управляющими «/?-/?» переходами, МДП и ЩЩ структурами [6,11,59,68]. Однако даже самые совершенные полупроводниковые КУ являются неидеальными контактами и характеризуются следующими категориями параметров: I) аналогового канала- 2) переключения- 3) управления [6, с.303]. Параметры аналогового канала, называемые также остаточными, оцределяют работу КУ в статическом режиме [59, с.43−44]. Параметры переключения характеризуют динамические характеристики КУ, а параметры управления указывают на возможности согласования с логическими ИМС и нормируются, как правило, для интегральных коммутаторов.

Основываясь на перечисленных категориях параметров, можно определить рассчетным путем погрешность передачи аналогового сигнала любым КУ. Особую сложность составляет учет влияния источников погрешностей, которые не входят в число параметров, гарантируемых изготовителями КУ. К ним, в первую очередь, следует отнести: I) зависимость динамического сопротивления замкнутого ключа от изменения амплитуды и полярности коммутируемого сигнала (погрешность от нелинейности) — 2) уровень статической и динамической перекрестной помехи между отдельными каналами коммутатора. Сведения об этих факторах, объективно существующих в современных микроэлектронных КУ, в значительной степени определяют коммутационные возможности и полноту описания характеристик аналогового ключа. Постоянное ужесточение требований к метрологическим характеристикам ИИС вынуждает учитывать все более тонкие эффекты, порождающие погрешности коммутаторов.

Одним из возможных путей улучшения этих параметров является применение более совершенных КУ. Его недостаток состоит в значительных материальных и временных затратах, связанных с разработкой новых элементов, из-за чего он часто бывает не приемлем. Другой путь, который в большей степени доступен разработчикам измерительной аппаратуры, направлен на структурное совершенствование результирующих характеристик [47, с.84−85]. Такой способ представляется наиболее рациональным, так как позволяет достичь нужных точностных характеристик в измерительных коммутаторах, реализованных на серийно выпускаемых ключах.? значительной мере корректному применению структурного способа улучшения характеристик КУ и МАК препятствует недостаточная ясность в вопросах, связанных с исследованием иствчников возникновения погрешностей от нелинейности в ключах и от перекрестного взаимовлияния между каналами многоканального коммутатора. Восполнение указанного пробела позволит также уточнить и детализировать эквивалентные схемы КУ и МАК, на основе которых рассчитываетоя и прогнозируется точность проектируемого устройства.

Основные результаты сводятся к следующему.

1. Предложено использовать интегральную оценку погрешности нелинейности микроэлектронных КУ, основанную на аппроксимации передаточной функции ключа ортонормированными многочленами Лежандра и даны рекомендации по ее практическому применению.

2. Усовершенствованы способы аналоговой линеаризации передаточных характеристик микроэлектронных аналоговых ключей на основе многовходовых следящих схем управления, которые позволяют на один-два порядка снизить погрешность нелинейности во всем динамическом диапазоне.

3. Получены оценки перекрестной помехи для статической и динамической моделей коммутирующих устройств и многоканальных коммутаторов и предложены способы уменьшения динамической составляющей этой помехи.

4. Разработаны параметрический и компенсационный способы минимизации остаточной термо-э.д.с. на сигнальных выводах включенного герконового реле.

5. Синтезирована тепловая и магнитная модели выносной конструкции герконового реле, на основе которых получено совместное тепломагнитное уравнение, устанавливающее взаимосвязь между варьируемыми конструктивными параметрами реле и предельно достижимым уровнем остаточной термо-э.д.с.

6. Развиты конструктивно-технологические методы оптимизации выносных конструкций КУ, позволивших создать три серийных модификации инфранизкопороговых герконовых реле с уровнями остаточной термо-э.д.с. ±-(5,50,500)нВ.

7. Проанализированы структурные способы нахождения среднего значения сигнала с заданной погрешностью при ограниченном канальном времени в низкоуровневых герконовых коммутаторах.

8. Показана целесообразность применения двухуровневой м ультиплицированной весовой функции, оптимизированной по времени интегрирования, для подавления динамического шума в герконовых МАК, позволяющая в два раза повысить быстродействие коммутатора при незначительных аппаратурных затратах.

9. Проанализирована защищенность МАК от помех общего вида и исследованы методы снижения влияния составляющих этой помехи на конечную погрешность коммутируемых сигналов. Предложены практические схемы оптоэлектронных устройств гальванического разделения, улучшающие помехозащищенность многоканальных измерителей с входным коммутатором.

Теоретические выводы подтверждены экспериментальными исследованиями. Использование результатов исследований в серийной аппаратуре обеспечило экономический эффект свыше 500 тыс. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаюи работы явилось исследование структурных и аппаратурных средств создания коммутирующих устройств с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для входных устройств цифровых системных мультиметров и многоканальных аналоговых коммутаторов.