badanie wzmacniaczy operacyjnych cmos w niskich temperaturach.

www.pwt.et.put.poznan.pl
Jakub Pająkowski
Politechnika Poznańska
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji
Zakład Elektronicznych Systemów Pomiarowych
ul. Piotrowo 3A 60-965 Poznań
[email protected]
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
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
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