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 (V_CC = 5 В, V_EE = = -5 В, GndA = 0) отделено от питания остальной схемы (V_CC1 = 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 V_CC через внешний резистор R_EXT1, 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 R_EXT2 = 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

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 R_EXT2 = 100 Ом и максимальном R_EXT2 = 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

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Дворников О.В., Чеховский В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями // Chip News. 1999. ╧ 2. С. 21√24.