Jakub Pająkowski, BADANIE WZMACNIACZY OPERACYJNYCH CMOS W NISKICH TEMPERATURACHSesja: Nowe obszary badań systemów i sieci telekomuniacyjnych.Instutut Elektroniki i Telekomunikacji PP

Pełen tekst

(1)www.pwt.et.put.poznan.pl. Jakub Pająkowski Politechnika Poznańska Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Zakład Elektronicznych Systemów Pomiarowych ul. Piotrowo 3A 60-965 Poznań pajakow@et.put.poznan.pl. 2005. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005. BADANIE WZMACNIACZY OPERACYJNYCH CMOS W NISKICH TEMPERATURACH. Streszczenie: W artykule opisano badanie wzmacniaczy operacyjnych CMOS w zakresie temperatur od 300 K do 4K. Przebadane wzmacniacze CMOS pracują poprawnie w zakresie od temperatury otoczenia do ok. 40 K.. 1. WSTĘP Praca podzespołów elektronicznych poniżej 200 K nie jest typowym zakresem, przewidzianym przez ich producentów. Wiele urządzeń technicznych powinno działać w zakresie niższych temperatur, dla przekładu: w badaniach kosmicznych, badaniach z dziedziny fizyki ciała stałego, w krioterapii, medycynie i przemyśle spożywczym. W artykule pokazano, że komercyjne wzmacniacze operacyjne CMOS mogą pracować w temperaturach niższych niż znamionowe, aż do ok. 40K. 2. WYBÓR BADANYCH PARAMETRÓW I. UKŁADY POMIAROWE Zbadano 5 sztuk wzmacniaczy CMOS OPA337 firmy Barr-Brown i 7 sztuk wzmacniaczy LMC6041 (Natinal Semiconductor) w zakresie od temperatury otoczenia do temperatury ciekłego helu. Pomiary przeprowadzono w Zakładzie Kriotermometrii Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu pod kierownictwem dr Leszka Lipińskiego. Jako najważniejsze parametry determinujące poprawną pracę wzmacniacza przyjęto: wzmocnienie różnicowe - kUR, wejściowe napięcie niezrównoważenia – offset, oraz częstotliwość graniczną – fg. Wzmocnienie różnicowe definiujemy jako wzmocnienie wolnozmiennego sygnału wejściowego przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, a offset jako takie napięcie stałe, przyłożone na wejścia różnicowe wzmacniacza z otwartą pętlą, aby na jego wyjściu było 0V. Ponieważ wzmacniacze operacyjne CMOS w układzie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego wykazują pływający offset, a dla małych częstotliwości sygnału wzmacnianego niemożliwe jest określenie amplitudy sygnału wyjściowego, badania prowadzono dla. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. wzmacniacza objętego pętlą sprzężenia zwrotnego z zadanym dużym wzmocnieniem. Założone wzmocnienie podyktowane jest stosunkowo małą dokładnością pomiaru napięcia wyjściowego, które w dalszej części przeliczane jest na wzmocnienie różnicowe, zgodnie z zależnością przedstawioną we wzorze (1): (1 + α ) ; Kr = (1) 1+ α  − 1   K  gdzie: Kr – to wzmocnienie różnicowe z otwartą pętlą, K – zmierzone wzmocnienie wzmacniacza, α - stosunek R2 do R1 . Analiza wzoru (1) przedstawiona jest na rys.1. Widoczne jest, że dla α = ok. 105 i spodziewanego wzmocnienia na poziomie 120dB stosunek, K mierzonego do Kzad zadanego jest mniejszy od 0,9.. K/Kzad 1 0,8 0,6 0,4 0,2. 12 0d B 11 4d B. 0 1. 10 0 10 00 10 000 0 10 000 00 10 000 Alfa 10. 10 8d B. 10 2d B. Kr. Rys.1 Analiza wzoru na wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego. Wzmocnienie różnicowe - Kr, oraz wejściowe napięcie niezrównoważenia – offset - zostały przebadane na stanowisku pokazanym na rys.2. Jako sygnał wejściowy przyjęto sygnał sinusoidalny o częstotliwości 2Hz (OPA337), 0,2Hz (LMC6041) i amplitudzie odpowiednio małej, aby po podzieleniu przez 500 w dzielniku napięciowym, na wejściu wzmacniacza (w. 1/3.

(2) www.pwt.et.put.poznan.pl. Generator funkcji. Regulator składowej stałej. Wzmacniacz badany. 500R. Tx. kanał 1 Oscyloskop cyfrowy. 1R. 1R. kanał 2. 100k. Rys.3. Schemat blokowy stanowiska do badania częstotliwości granicznej 3dB.. Generator funkcji. Regulator składowej stałej. 10k. Tx. kanał 1. 1k. Oscyloskop cyfrowy 1k. kanał 2. Wzmacniacz badany. Rys.2. Schemat blokowy stanowiska do badania KR i napięcia niezrównoważenia (offset).. konfiguracji nieodwracającej o wzmocnieniu 100001 V/V) były dziesiąte części mikrowolta. Z powodu silnej dążności do nasycania się wzmacniacza, do sygnału z generatora dodawano napięcie stałe równoważące WO. W celu wyznaczenia pasma częstotliwościowego wzmacniacza, stosowano układ odwracający fazę o wzmocnieniu –10 V/V. Częstotliwość graniczną (fg3dB) zdefiniowano jako częstotliwość, przy której na wyjściu wzmacniacza sygnał maleje o 3dB. GBP (Gain-Bandwidth Product) określamy jako zależność: (2) GBP = K * fg3dB gdzie K to założone wzmocnienie układu ze wzmacniaczem. Stanowisko do badania fg3dB przedstawione jest na rys.3.. 3. POMIARY Pomiary zostały przeprowadzone w zbiorniku z ciekłym helem. Na schemacie blokowym (rys.4) widoczne są: zbiornik z ciekłym helem w otoczeniu ciekłego azotu oraz - jako czujnik temperatury – termopara Miedź-Konstantan ze spoiną odniesienia zanurzoną w wodzie z lodem. Temperatury pośrednie między temperaturą ciekłego helu, a otoczenia uzyskiwano poprzez utrzymywanie czujnika temperatury i elementu badanego na odpowiedniej wysokości nad lustrem cieczy. Na rys. 5 i 8 przedstawiono wykresy zmian wzmocnienia z otwartą pętlą Kr w funkcji temperatury. Oba typy wzmacniaczy (OPA337 i LMC6041), pracując z założonym przez producentów wzmocnieniem w całym zakresie badanych temperatur, traciły swoje właściwości wzmacniające przy temp. ok. 50K,. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. OSCYLOSKOP. MIKROWOLTOMIERZ. GENERATOR. Tx. ZASILACZ. Cu. KONSTANTAN WO. CZUJNIK HEL. uV. H 2O LÓD. Cu. Rys.4. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego. ale wzmacniacz OPA337 – BB5 (rys.5), działał aż do 15K, a wzmacniacz LMC6041 – Ni5 (rys.8) - do 27K. Nie jest widoczny wyraźny wzrost wzmocnienia dla ok. 150K (maksimum aktywności nośników krzemu), typowy dla wzmacniaczy bipolarnych i BiFET. Zmiany offset’u, widoczne na rys. 6 i 9, mieszczą się w granicach określonych przez dane katalogowe. Jednak offset rośnie przy obniżaniu temperatury dla obu typów wzmacniaczy. Częstotliwość graniczna, określona jako 3-decybelowy spadek wzmocnienia wzmacniacza objętego ujemnym sprzężeniem zwrotnym, mieści się w wartościach katalogowych do ok. 90K i spada do ok. od 2kHz do 4kHz dla LMC6041 (rys.10), a dla OPA337 (rys.7) częstotliwość ta mieści się w całym badanym zakresie. Natomiast dla dwóch wzmacniaczy – BB5 i BB2, rośnie ona nawet do ok. 700kHz (czyli GPB = 7MHz) – pamiętając, że wzmocnienie układu wynosi 10V/V.. 2/3.

(3) www.pwt.et.put.poznan.pl. OPA337. OPEN-LOOP GAIN MIN = 100dB; TYP 120dB. Kr [dB] 114. BB1. BB2. BB3. BB4. LMC6041. Input Offset Voltage TYP = 1mV, MAX = 3mV. Offset [mV] 3,5. BB5. 113. NI1. NI2. NI3. NI4. NI5. NI6. NI7. 3. 112. 2,5. 111 2. 110. 1,5. 109 108. 1. 107. 0,5. 106. 0. 105 300. 270. 240. 210. 180. 150. 90. 60. 30. 300. 270. 240. 210. 180. 150. 120. 90. 60. 30. 0. 0. 104. 120. -0,5 T [K]. T [K]. Rys.5. OPA337 - wykres Kr w funkcji temperatury.. Rys.9. LMC6041 - wykres offset w funkcji temperatury.. OPA337. LMC6041. Input Offset Voltage TYP = 1mV, MAX = 1,5mV. Offset [mV] 1,5. BB1. BB2. BB3. BB4. GPB = 75kHz at 25oC; Ku = 1. f gr 3dB [kHz]. BB5. NI1. NI2. NI3. NI4. NI5. NI6. NI7. 14 12. 1. 10 0,5. 8 0. 6 4. -0,5. 2. T [K]. GPB = 3MHz at 25oC; Ku = 1. f gr 3dB [kHz]. BB1. BB2. 300. 270. 240. 210. 180. 150. 120. 90. 60. 30. T [K]. Rys.6. OPA337 - wykres offset w funkcji temperatury. OPA337. 0 0. 300. 270. 240. 210. 180. 150. 120. 90. 60. 30. 0. -1. BB3. BB4. BB5. Rys.10. LMC6041 - wykres fgr3dB w funkcji temperatury. 4. UWAGI KOŃCOWE Na koniec chciałbym serdecznie podziękować kierownikowi Zakładu Kriotermometrii Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu, Panu dr Leszkowi Lipińskiemu, a także Pani dr hab. Annie Szmyrce-Grzebyk, Panu dr Henrykowi Mankiewiczowi i Pani mgr Aleksandrze Kowal, za udostępnienie bazy sprzętowej oraz pomoc przy badaniu wzmacniaczy w niskich temperaturach.. 800 700 600 500 400 300 200 100. 300. 270. 240. 210. 180. 150. 120. 90. 60. 30. 0. 0 T [K]. Rys.7. OPA337 - wykres fgr3dB w funkcji temperatury. LMC6041 Kr [dB] 150. OPEN-LOOP GAIN MIN = 90dB; TYP 112dB NI1. NI2. NI3. NI4. NI5. NI6. NI7. 140 130 120 110 100 90. 300. 270. 240. 210. 180. 150. 120. 90. 60. 30. 0. 80. T [K]. Rys.8. LMC6041 - wykres Kr w funkcji temperatury.. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. SPIS LITERATURY [1] Badźmirowski K., Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E., Miernictwo elementów półprzewodnikowych i układów scalonych, WKiŁ, Warszawa, 1984. [2] Gutierrez-D E.A., Jamal Deen M., Claeys C.L., Low temperature electronics, physics, devices, circuits, and applications, Academic Press, San Diego, 2001. [3] Janke W., Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych, WNT, Warszawa, 1992. [4] Sukiennicki A., Zagórski A., Fizyka ciała stałego, WNT Warszawa, 1984. [5] Tieze U., Schenk CH., Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1994. [6] OPA337.pdf, Zasoby internetowe firmy Texas Instruments. [7] LMC6041.pdf, Zasoby internetowe firmy National Semiconductor.. 3/3.

(4)