Малошумящий программируемый усилитель постоянного тока с дистанционным управлением

Введение. В современной технике эксперимента известно направление, связанное с разработкой информационно-измерительных систем регистрации и анализа избыточных низкочастотных шумов. Любой измерительный канал представлен в виде многокаскадной схемы с заданными параметрами каждого каскада, что затрудняет адаптацию измерительной системы к конкретным условиям эксперимента. Решением проблемы является унификация всех компонентов канала, однако при этом одной из основных проблем является оценка собственных шумов электронных элементов, обеспечивающих изменение параметров усилителя.

Цель работы. Анализ собственных шумов электронных потенциометров, разработка малошумящего унифицированного усилителя постоянного тока с возможностью внешнего цифрового управления параметрами и исследование его характеристик.

Материалы и методы. С помощью метода суперпозиции произведен теоретический расчет шумового усиления для каждого компонента неинвертирующего усилителя. Экспериментальные исследования проводились на базе установки, представляющей собой малошумящий усилительный тракт и спектроанализатор на основе модуля сбора данных E14-440 и программного обеспечения «PowerGraph».

Результаты. По результатам теоретических расчетов шумового усиления для металлопленочных резисторов и экспериментальных исследований характеристик электронных потенциометров показано, что их удельные значения напряжений шумов практически идентичны. Использование цифрового потенциометра в качестве элемента обратной связи и малошумящего источника смещения с двухполярным питанием (AD8400), позволяют реализовать на их основе унифицированный модуль с возможностью каскадирования. Внешнее цифровое управление на основе однокристального микроконтроллера PIC18F2550, разработанного протокола канального уровня «Master-Slave» и ASCII-интерфейса командной строки на базе сети RS-485 позволяет адаптировать его к задачам измерения шумов электронных компонентов, малых токов и напряжений, фликкер-шумов, построения распределенных систем сбора и обработки информации.

Заключение. Полученные теоретические и практические результаты делают возможным проектирование многоканальных распределенных измерительных систем постоянного тока с адаптацией измерительных каналов к поставленным задачам и возможностями программной коррекции характеристик в реальном времени.

1. Chye En Un, Ivanov V. E. Universal Multichannel System for Low Frequency Noise Measurement // Int. Siberian Conf. on Control and Communications, 29–30 June 2017, Astana, Kazakhstan. doi: 10.1109/SIBCON.2017.7998532

2. Instrumentation Design for Gate and Drain Low Frequency Noise Measurements / G. Giusi, F. Crupi, C. Ciofi, C. Pace // IMTC Conf. Proc. 24–27 Apr. 2006, Sorrento, Italy, 2006. P. 1747–1750. doi: 10.1109/IMTC.2006.328224

3. Dedicated Instrumentation for Single-Electron Effects Detection in Si Nanocrystal Memories / C. Pace, F. Crupi, S. Lombardo, G.Giusi // IMTC Conf. Proc. 24–27 Apr. 2006, Sorrento, Italy, 2006. P. 1856–1859. doi: 10.1109/IMTC.2006.328280

4. Automatic Measurement System for the DC and Low-F Noise Characterization of Fets at Wafer Level / G. Giusi, O. Giordano, G. Scandurra, C. Ciofi, M. Rapisarda, S. Calvi // IEEE Intern. Instrumentation and Measurement Technology Conf. (I2MTC). 11–14 May 2015, Piza, Italy, 2015. P. 2095–2100. doi: 10.1109/I2MTC.2015.7151606

5. Dedicated Instrumentation for High Sensitive, Low Frequency Noise Measurement Systems / C. Ciofi, G. Giusi, G. Scandurra, B. Neri // Fluctuation and Noise Lett. 2004. Vol. 4, № 2. P. 385–402.

6. Ultra Sensitive Method for Current Noise Measurements / G. Giusi, F. Crupi, C. Ciofi, C. Pace // Review of Scientific Instruments. 2006. Vol. 77, № 1. P. 015107(1–5).

7. Chengqing Wei, Yong-Zhong Xiong, Xing Zhou. Test Structure for Characterization of Low-Frequency Noise in CMOS Technologies // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2010. Vol. IM-59, № 7. P. 1860–1865. doi: 10.1109/TIM. 2009.2028783

8. Scandurra G., Giusi G., Ciofi C. Multichannel Amplifier Topologies for High-Sensitivity and Reduced Measurement Time in Voltage Noise Measurements // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2013. Vol. 62, № 5. P. 1145–1153. doi: 10.1109/TIM.2012.2236719

9. Four Channels Cross Correlation Method for High Sensitivity Current Noise Measurements / C. Ciofi, G. Scandurra, R. Merlino, G. Cannatà, G. Giusi // Proc. of SPIE. Fluctuation and Noise. 2007. Vol. 6600. P. 660012(1–8).

10. Configurable Low Noise Amplifier for Voltage Noise Measurements / G. Scandurra, G. Cannata, G. Giusi, C. Ciofi // 22nd Intern. Conf. on Noise and Fluctuations (ICNF), 24–28 June 2013, Montpellier, France, 2013. P. 1–4. doi: 10.1109/ICNF.2013.6578999

11. Neri B., Pellegrini B., Saletti R. Ultra Low-Noise Preamplifier for Low-Frequency Noise Measurements in Electron Devices // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurements. 1991. Vol. IM-40, № 1. P. 2–6. doi: 10.1109/19.69939

12. Three-channel Amplifier for High-Sensitivity Voltage Noise Measurements / G. Giusi, F. Crupi, C. Ciofi, C. Pace // Review of Scientific Instruments. 2006. Vol. 77, № 1. P. 095104(1–5).

13. Giusi G., Crupi F., Pace C. Ultra Sensitive Low Noise Voltage Amplifier for Spectral Analysis // Review of Scientific Instruments. 2008. Vol. 79, № 1. P. 084701(1–6).

14. Ivanov V. E., Chye En Un. Simple Programmable Voltage Reference for Low Frequency Noise Measurements // J. of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1015. P. 052011(1–5). doi: 10.1088/1742-6596/1015/5/052011

15. Иванов В. Э., Чье Ен Ун. Универсальные модули предварительной обработки для систем регистрации сигналов // Приборы. 2017. № 3 (201). С. 31–37.

16. Ivailo M. Pandiev. Analysis And Simulation Modeling of Programmable Circuits using Digital Potentiometers // Intern. J. of microelectronics and computer science. 2014. Vol. 5, № 4. P. 127–135.

17. Noise Analysis In Operational Amplifier Circuits. Application Report SLVA043B. Digital Signal Processing Solutions. Dallas, Texas: Texas Instruments, 2007. 23 p. URL: http://www.ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf (дата обращения: 02.07.2019)

18. Modbus over serial line for legacy applications only. URL: http://www.modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf (дата обращения: 02.07.2019)