Разработка комплекта аналоговых микросхем для обработки сигналов высокоомных датчиков

В различных областях приборостроения необходима регистрация токов менее 10-12А или обработка сигналов датчиков, внутреннее сопротивление которых превышает сотни мегаом. Для указанных задач преимущественно применяют операционные усилители с входными полевыми транзисторами, управляемыми p-n-переходом и каналом n-типа (n-ПТУП). Однако, существует ряд ёмкостных датчиков с выходным сигналом в виде короткого токового импульса, для преобразования которого в напряжение используют зарядочувствительные усилители. Целью работы являлась разработка на базовом кристалле аналоговых микросхем с входным n-ПТУП, обеспечивающих обработку сигналов различных высокоомных датчиков. В статье приведены электрические схемы разработанных операционных и зарядочувствительных усилителей, рассмотрены их конструктивно схемотехнические особенности, проанализированы результаты схемотехнического моделирования, сформулированы рекомендации по выбору режима работы входного n-ПТУП зарядочувствительных усилителей для минимизации длительности фронта нарастания и уровня шумов с учётом сохранения работоспособности в диапазоне температур. В результате проведённых работ разработаны электрические схемы и топология на базовом кристалле комплекта микросхем с входным n-ПТУП, включающим операционный усилитель NJAmp1 с параметрами близкими к AD8625, маломощный операционный усилитель NJAmp2 для реализации повторителя напряжения подобного AD8244, ОУ NJAmp4 с входным током менее 5∙10-13 А и зарядочувствительный усилитель, допускающий регулировку тока стока входного n-ПТУП. Соединения разработанных устройств по типовой схеме инструментального усилителя на трёх операционных усилителях позволяют получить функциональный аналог микросхемы AD8220.

1. Kester W. High Impedance Sensors / W. Kester, S. Wurcer, C. Kitchin // Op Amp Applications Handbook. Newnes. 2005. Pp. 257-283. DOI: 10.1016/B978-075067844-5/50132-6.

2. Yang T. A high input impedance low-noise instrumentaion amplifier with JFET input / T. Yang, J. Lu, J. Holleman // 2013 IEEE 56th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), Columbus, OH, USA. 2013. Pp. 173-176. DOI: 10.1109/MWSCAS.2013.6674613

3. Pullia A. A JFET-CMOS Fast Preamplifier for Segmented Germanium Detectors / A. Pullia, F. Zocca, S. Riboldi // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2008. Vol. 55, No. 6. Pp. 591-594. DOI: 10.1109/TNS.2007.914022

4. Li Y. Analysis and Implement of ECG Front-End Signal Processing Circuit / Y. Li, X. Xu, Y. Liu. Y. Tian // 2011 International Conference of Information Technology, Computer Engineering and Management Sciences, Nanjing, China. 2011. Pp. 309-312. DOI: 10.1109/ICM.2011.131

5. Hu Z. Ultra-Low Noise Charge Sensitive Amplifier for MEMS Gyroscope / Z. Hu, H. Quan, F. Zhang, P. Wang // 2009 Fifth International Conference on MEMS NANO, and Smart Systems, Dubai, United Arab Emirates. 2009. Pp. 29-32. DOI: 10.1109/ICMENS.2009.20

6. Steyaert M.S.J. A micropower low-noise monolithic instrumentation amplifier for medical purposes / M. S. J. Steyaert, W. M. C. Sansen // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1987. Vol. 22, No. 6. Pp. 1163-1168. DOI: 10.1109/JSSC.1987.1052869

7. He Z. Design of A High Input Impedance OPAwith Bi-JFET Technology / Z. He, C. Wang, G. Fan, Y.Zhou, Y. Yang // 2019 IEEE 2nd International Conferenceon Electronics Technology (ICET), Chengdu, China. 2019.Pp. 233-236. DOI: 10.1109/ELTECH.2019.8839538

8. Zhou H. A Low-Noise, Large-Dynamic-RangeEnhanced Amplifier Based on JFET Buffering Input and JFET Bootstrap Structure / H. Zhou, W. Wang, C. Chen, Y. Zheng // IEEE Sensors Journal. 2015. Vol. 15, No. 4. Pp. 2101-2105. DOI: 10.1109/JSEN.2014.2371893

9. Snoeij M. A 36V 48MHz JFET-Input Bipolar Operational Amplifier with 150µV Maximum Offset and Overload Supply Current Control / M. Snoeij // ESSCIRC 2018 IEEE 44th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC), Dresden, Germany. 2018. Pp. 290-293. DOI: 10.1109/ESSCIRC.2018.8494262

10. Дворников О. Проектирование биполярных аналоговых базовых матричных кристаллов / О. Дворников, В. Чеховский, А. Попов // Электронные компоненты. – 2025. – № 1. – С. 48-53.

11. Титце У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 832 с.

12. Amazeen B.E. A complete single-supply microprocessor-compatible 8-bit DAC / B.E. Amazeen, P.R. Holloway, D.A. Mercer // IEEE Journal of SolidState Circuits. 1980. Vol. 15, No. 6. Pp. 1059-1070. DOI: 10.1109/JSSC.1980.1051517

13. Dvornikov O.V. Comparison of Fast Response and Noise of Charge-Sensitive Amplifiers with Various Types of Input Fets / O.V. Dvornikov, V.A. Tchekhovski, N.N. Prokopenko, A.E. Titov // 2020 International Symposium on Industrial Electronics and Applications (INDEL), Banja Luka, Bosnia and Herzegovina. 2020. Pp. 1-6. DOI: 10.1109/INDEL50386.2020.9266185