Микроэлектронные измерительные преобразователи

В. Б. Топильский
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
5-е издание, электронное
Допущено
Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлению 2301000
«Информатика и вычислительная техника»
Москва
Лаборатория знаний
2024

УДК 681.518+621.38
ББК 32.965
Т58
Топильский В. Б.
Т58
Микроэлектронные
измерительные
преобразователи : учебное пособие / В. Б. Топильский. — 5-е изд.,
электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2024. — 496 с. —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". —
Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-754-1
В учебном пособии рассмотрен комплекс вопросов, связанных
с
аналоговой
и
аналого-цифровой
схемотехникой
информационно-измерительных систем (ИИС) и систем управления. Подробно описаны компоненты таких систем (микроэлектронные сенсоры, усилители сигналов, аналого-цифровые
преобразователи
и
устройства
отображения
информации).
Приведены
схемы
включения
элементов
ИИС
и
систем
сбора данных (ССД), анализ их погрешностей, программы
схемотехнического моделирования элементов ССД в пакете
Multisim фирмы National Instruments.
Студентам и аспирантам, обучающимся по направлению
«Информатика и вычислительная техника», преподавателям
соответствующих дисциплин, практическим специалистам,
занимающимся разработкой и эксплуатацией ИИС различного назначения.
УДК 681.518+621.38
ББК 32.965
Деривативное издание на основе печатного аналога: Микроэлектронные измерительные преобразователи : учебное пособие / В. Б. Топильский. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний,
2012. — 493 с. : ил. — ISBN 978-5-9963-0635-0.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации
ISBN 978-5-93208-754-1
© Лаборатория знаний, 2015

Оглавление
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Список основных сокращений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Глава 1. Общие сведения о датчиках физических величин
и измерительных схемах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1. Классификация датчиков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2. Генераторные датчики сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1. Датчики напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2. Датчики тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.3. Датчики заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3. Параметрические датчики сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1. Последовательные цепи и делители
напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.2. Мостовые измерительные схемы. . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.3. Мосты переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.4. Подключение датчиков к измерительным
схемам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
1.3.5. Термокомпенсация резистивного моста . . . . . . . . . 52
1.3.6. Аналоговый интерфейс «токовая петля» . . . . . . . . 56
1.4. Датчики с импульсным выходом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Глава 2. Усилители сигналов сенсоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.1. Параметры интегральных операционных усилителей . . . 65
2.2. Классификация интегральных операционных
усилителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
2.3. Анализ погрешностей усилителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3.1. Методы анализа усилителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3.2. Структура погрешностей усилителей . . . . . . . . . . . 87

Оглавление
2.4. Разновидности специализированных ОУ . . . . . . . . . . . . . 92
2.4.1. Измерительные усилители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.4.2. Усилители с модуляцией и демодуляцией
сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
2.4.3. Двухканальные ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.4.4. Усилители с периодической компенсацией
дрейфа нуля (ПКД-усилители) . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.4.5. Программируемые ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.4.6. Токоразностные ОУ (усилители Нортона) . . . . . . 117
2.4.7. Изолирующие ОУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
2.5. Однополярное питание ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
2.6. Шумы усилительных схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Глава 3. Датчики физических величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.1. Оптоэлектронные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.1.1. Фоторезисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.1.2. Фотодиоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3.1.3. Фоточувствительные приборы
с зарядовой связью. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
3.1.4. Аналоговые координатно-чувствительные
фотоприемники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.1.5. Пироэлектрические фотоприемники . . . . . . . . . . 186
3.1.6. Полупроводниковые ИК-излучатели . . . . . . . . . . 191
3.1.7. Полупроводниковые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.2. Датчики температуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
3.2.1. Металлические термометры сопротивлений . . . . 206
3.2.2. Терморезисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
3.2.3. Термопары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
3.2.4. Полупроводниковые датчики температуры. . . . . 226
3.3. Датчики деформации и смещения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
3.3.1. Металлические тензодатчики . . . . . . . . . . . . . . . . 232
3.3.2. Полупроводниковые тензодатчики . . . . . . . . . . . 236
3.3.3. Пьезоэлектрические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . 244
3.3.4. Емкостные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
3.4. Датчики магнитного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
3.4.1. Датчики на эффекте Холла . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
3.4.2. Магниторезисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
3.5. Ультразвуковые датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

Оглавление
5
Глава 4. Устройства отображения информации (УОИ) . . . . . . . . 293
4.1. Классификация и характеристики УОИ . . . . . . . . . . . . . 293
4.2. Светоиндикаторные диоды (СИД) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
4.3. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) . . . . . . . . . 309
4.4. Газоразрядные индикаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
4.5. Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) . . . . . . . . . 319
Глава 5. Системы сбора данных (ССД) измерительных
преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
5.1. Общие сведения об интегральных ССД. . . . . . . . . . . . . . . 323
5.1.1. Архитектура ССД. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
5.1.2. Процессы дискретизации функций . . . . . . . . . . . 325
5.1.2.1. Квантование во времени. . . . . . . . . . . . . . . . 325
5.1.2.2. Квантование по уровню . . . . . . . . . . . . . . . . 333
5.1.2.3. Влияние погрешности квантования
на полную погрешность преобразования . . 337
5.1.3. Основные характеристики ЦАП/АЦП . . . . . . . . . 340
5.1.3.1. Статические параметры ЦАП/АЦП . . . . . . 340
5.1.3.2.Динамические параметры ЦАП/АЦП. . . . . 343
5.1.4. Подключение датчиков к ССД . . . . . . . . . . . . . . . . 344
5.2. Цифро-аналоговые преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . 357
5.2.1. Параллельный ЦАП с весовыми резисторами . . . 357
5.2.2. Параллельный ЦАП на матрице R-2R . . . . . . . . . . 359
5.2.3. Параллельные ЦАП с токовыми ключами . . . . . . 363
5.2.4. Сегментированные резистивные ЦАП . . . . . . . . . 366
5.2.5. ЦАП на коммутируемых конденсаторах. . . . . . . . 370
5.2.6. Биполярные ЦАП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
5.3. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) . . . . . . . . . . 377
5.3.1. Классификация АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
5.3.2. Быстродействующие АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
5.3.2.1. Параллельные АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
5.3.2.2. Конвейерные АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
5.3.3. Неинтегрирующие АЦП уравновешивания . . . . . 387
5.3.3.1. АЦП развертывающего
уравновешивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
5.3.3.2. АЦП следящего уравновешивания . . . . . . . 390
5.3.3.3. АЦП поразрядного уравновешивания . . . . 392
5.3.3.4. Оценка характеристик АЦП
уравновешивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
5.3.4. Интегрирующие АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
5.3.4.1. АЦП двухтактного интегрирования . . . . . . 398

Оглавление
5.3.4.2. АЦП с промежуточным преобразованием
в частоту (АЦП-ППЧ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
5.3.4.3.Сигма-дельта АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
5.4. Функциональные устройства ЦАП-АЦП . . . . . . . . . . . . 422
5.4.1. Источники опорных напряжений . . . . . . . . . . . . . 422
5.4.1.1. Стабилитронные ИОН . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
5.4.1.2. ИОН на биполярных транзисторах
(bandgap) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
5.4.1.3. Источники опорного напряжения
на униполярных транзисторах (XFET) . . . . 432
5.4.2. Аналоговые устройства выборки и хранения . . . . 435
Приложения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .443
Приложение 1. Моделирование измерительных усилителей. . . . 443
П1.1. Моделирование ИОУ на одном ОУ . . . . . . . . . . . . 443
П1.2. Моделирование ИОУ на двух ОУ . . . . . . . . . . . . . 449
П1.3. Моделирование ИОУ на трех ОУ . . . . . . . . . . . . . 452
Приложение 2. Моделирование МДМ-усилителей . . . . . . . . . . . . 454
Приложение 3. Моделирование усилителей с периодической
компенсацией дрейфа нуля . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
П3.1. Исследование работы схемы
одноканального ПКД-усилителя. . . . . . . . . . . . . 460
П3.2. Исследование работы схемы
двухканального ПКД-усилителя . . . . . . . . . . . . 463
Приложение 4. Моделирование интегрального тензомоста . . . . . 466
П4.1. Моделирование температурной
чувствительности тензомоста . . . . . . . . . . . . . . . 467
П4.2. Методика и пример расчета параметров
модели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470
Приложение 5. Моделирование интегральных емкостных
датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
П5.1. Однополярный емкостной датчик . . . . . . . . . . . . 474
П5.2. Дифференциальный емкостной датчик . . . . . . . 476
Приложение 6. Краткое руководство пользователя Multisim . . . 484
П6.1. Основы работы с программой Multisim . . . . . . . . 484
П6.2. Использование измерительных
инструментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .492

Предисловие
Одним из основных направлений развития науки и техники является создание и повсеместное внедрение информационно-измерительных и управляющих систем (ИУС). Неотъемлемой частью таких
систем являются многоканальные системы сбора данных (ССД) от
датчиков, которые содержат как аналоговую, так и цифровую часть.
Аналоговая часть включает предусилители, устройства согласования, коммутаторы, АЦП, источники опорных напряжений и другие
аналоговые устройства.
Интегрирование аналоговой и цифровой частей ССД на одном
кристалле привело к созданию аналого-цифровых микропроцессоров, содержащих встроенные ЦАП/АЦП и некоторые дополнительные аналоговые функциональные устройства. По оценкам экспертов
эта отрасль развивается опережающими темпами по сравнению с другими секторами электроники. Создание микроэлектронных мультисенсорных систем некоторыми авторами рассматривается в качестве
третьей
промышленной
революции
вслед
за
машинно-энергетической и информационно-компьютерной. Для эффективного проектирования и эксплуатации ИУС необходимо овладеть знаниями в
области современной аналоговой схемотехники измерительных преобразователей.
Цель учебного пособия — изложить основные вопросы аналоговой
схемотехники микроэлектронных измерительных преобразователей
и ССД в компактной и доступной форме и в какой-то мере восполнить
дефицит современной учебной технической литературы по данной тематике. Приведено большое количество примеров с инженерным
уровнем детализации расчетов.
Необходимо подчеркнуть, что в ИУС требования к быстродействию АЦП/ЦАП значительно снижены по сравнению с медийными
приложениями и системами связи, однако требования к точности,
надежности более высоки. Поэтому АЦП/ЦАП и периферия ССД рассматриваются в основном под этим специфическим углом зрения.
Все большее значение при разработке электронных устройств приобретает компьютерное моделирование. Поэтому в приложении рассмотрены вопросы моделирования измерительных преобразователей

Предисловие
в пакете Multisim фирмы National Instruments, любезно предоставленном автору российским представительством этой фирмы.
Автор считает своим приятным долгом выразить признательность
своему коллеге, доценту К. К. Недопекину, за ряд предоставленных
материалов и обсуждение некоторых разделов пособия и инженеру
Г. К. Штыкову за помощь в моделировании схем. Чтобы не перегружать списка литературы, в нем оставлены только обобщающие издания, дополняющие материалы пособия.
Хотя пособие в первую очередь ориентировано на подготовку бакалавров и инженеров по специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» направления 230100 «Информатика и вычислительная техника», специализирующихся в области
разработки различных информационно-измерительных и управляющих систем. Пособие может быть рекомендовано и при изучении
смежных дисциплин в области промышленной автоматики, робототехники, приборостроения, электротехники и радиоэлектроники по
следующим специальностям:
 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»;
 200100 «Приборостроение»;
 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»;
 210106 «Промышленная электроника»;
 210107 «Электронное машиностроение»;
 220201 «Управление и информатика в технических системах»;
 220402 «Роботы и робототехнические системы»;
 210100 «Электроника и наноэлектроника»;
 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»;
 200401 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»;
 210108 «Микросистемная техника».

Введение
Современные информационно-измерительные системы (ИИС) содержат первичные датчики физических величин (сенсоры), которые
устанавливаются на объекте измерения (датчики движения, давления, температуры, концентрации, деформации и т. д.), устройства
усиления и нормализации сигналов датчиков, аналоговый мультиплексор (или коммутатор сигналов), который используется для поочередного подключения сигналов датчиков к аналого-цифровым
преобразователям (АЦП) через устройство выборки и хранения
(рис. В1).
Рис. В1. Укрупненная структурная схема ИУС
Подобные многоканальные цифровые измерительные системы
часто называют системами сбора данных (ССД). В одноканальном варианте их называют измерительными преобразователями. И в том и
другом случае на выходе формируются оцифрованные сигналы датчиков.

Введение
Эти сигналы через интерфейс вводятся в процессор или ПЭВМ
с необходимой периферией (дисплей, клавиатура и т.д.), обрабатываются по определенным алгоритмам, документируются и выдаются в удобном виде пользователю (оператору) с помощью устройств
отображения информации (УОИ). В автономных или специализированных измерительных приборах вместо ПЭВМ могут применяться более дешевые контроллеры с автономными устройствами
отображения информации: ЖК-индикаторы, газоразрядные панели и т. д.
Если эту структуру дополнить цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) и исполнительными устройствами, то она становится информационной управляющей системой (ИУС), которая управляет
объектом по цепи обратной связи (ОС) согласно заданному алгоритму.
Такая структура характерна, например, для большинства автоматизированных
систем
управления
технологическими
процессами
в микроэлектронике и робототехнике.
В сложных технических ИУС для обеспечения высокой надежности применяют большое количество датчиков для контроля физических величин. Например, в отечественной космической системе «Буран» использовалось около 3000 датчиков. В других изделиях
авиационной и космической техники количество датчиков колеблется от 250 до 2000. Комплексное автоматизированное оборудование
для производства интегральных микросхем по КМОП-технологии с
проектными нормами в 0,5 мкм фирмы Applied Materials содержит
около 1000 датчиков непосредственно в технологическом процессе и
около 600 в инженерном оборудовании, обеспечивающем процессы
очистки газов, воздуха, подготовки воды, терморегулирование, бесперебойное питание и т. п. В химическом производстве количество
датчиков и измерительных преобразователей составляет десятки
тысяч.
Датчики и измерительные преобразователи, преобразующие неэлектрические физические величины в электрические сигналы, стали важнейшими элементами ИИС и ИУС. Во многих случаях это
сложные устройства, созданные с применением сигнальных процессоров. Именно они и УОИ в значительной степени определяют качество и стоимость ИИС и систем управления. Особенно перспективны по
метрологическим и эксплуатационным характеристикам измерительные преобразователи и УОИ, созданные по технологии микроэлектроники и микроэлектромеханических систем.
Спрос на датчики и измерительные преобразователи непрерывно
растет и ежегодно увеличивается на 1025%. Еще большие темпы
роста зафиксированы в области УОИ (до 40%), где уже внедрены
сверхъяркие светодиоды на органических полимерах. В ближайшие годы наибольшие темпы роста потребления датчиков прогно