Метод компенсации напряжением смещения нуля операционных усилителей с классическими входными каскадами на основе токовых зеркал

Прокопенко Николай Николаевич; Серебряков Александр Игоревич

Метод компенсации напряжением смещения нуля операционных усилителей с классическими входными каскадами

на основе токовых зеркал

Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков

Рассмотренные в [1] методы минимизации напряжения смещения нуля (исм) аналоговых микросхем (АМ) с высокоимпедансным узлом базируются, как правило, на вмешательстве разработчика в структуру входного каскада АМ, либо связаны со специальным построением буферного усилителя. Однако в ряде практических задач нецелесообразно вносить какие-либо корректировки в исходную структуру входного дифференциального каскада (ДК) с целью обеспечения необходимых значений коэффициентов слабой токовой асимметрии функциональных узлов ОУ, а существующий набор буферных усилителей не всегда позволяет обеспечить взаимную компенсацию всех токовых составляющих в высокоимпедансном узле [1-5].

Если выходящие токи 1з, 14 узлов 3 и 4 обобщенной схемы ДК рис. 1а на основе классических токовых зеркал при нулевом входном дифференциальном сигнале не одинаковы [6, 7] и их невозможно сделать идентичными из-за запрета на корректировку исходной структуры ДК, то для минимизации исм в диапазоне температурных и радиационных воздействий [8] можно потребовать введения между узлами 3 и 4 специального корректирующего многополюсника (СКМ), который обеспечит согласование слабой токовой асимметрии ДК по выходам 3, 4 и кроме этого будет выполнять свойства буферного каскада с малым выходным сопротивлением. Функции такого СКМ реализуются в предлагаемой ниже схеме, показанной на рис. 1б.

о +

а)

3

О

х1|

б.р

►►

-о +

УТ2

УТ1

>

-о-

14= т!0 +(т-х)Тб.Р;

шТ,

б.р

О

4

Вых. -----о

V )15=х10

б)

Рис. 1. - Метод СКМ-р компенсации слабой токовой асимметрии вида (т-х)1бр по выходам 3 и 4 ДК (а), и устройство для его осуществления (б).

Действительно в общем случае выходные токи узлов 3 и 4 ДК (рис.1 а) могут быть не одинаковы. Для корректирующего многополюсника СКМ-р типа на п-р-п транзисторах рис. 1б допустимая асимметрия токов 13 и І4 ДК рис. 1а может достигать значений (т-х)1б.р-

где т- коэффициент пропорциональности (т = 1, 2, 3, 4, ...), характеризующий статические токи выходов 3 и 4 ДК при коэффициенте усиления токов базы всех п-р-п транзисторов Рр = ю,

х - коэффициент пропорциональности устанавливающий численные значения тока двухполюсника 15 (х = 1, 2, 3, 4, ..), кратные току 10.

В формуле (1), под 10 понимается некоторый квант тока, например 1мА или 100мкА, к которому «привязывается» статический режим всех транзисторов схемы. Для наиболее часто встречающихся вариантов построения аналоговых микросхем в формуле (1), следует положить т=1. В этом случае допустимая асимметрия токов 13 и 14 в схеме рис. 1а определяется уравнением:

<

X = тІ0

^4 = тІ0 + (т - Х)Іб.р ’

(1)

ДІ43 “ І4 - І3 “ (1-х) Іб.р.

(2)

За счет изменения параметра «х», характеризующего источник опорного тока 15, можно скомпенсировать влияние на исм неидентичности токов 13 и 14 вида (1-х)1бр в соответствии с таблицей № 1.

Таблица № 1.

Влияние параметра «х» СКМР - р-типа на компенсацию асимметрии токов 13, 14 вида (1 - х)1бр в обобщенном дифференциальном каскаде с классическими токовыми

зеркалами при т=1.

Параметр «х» источника опорного тока 15=х10 Допустимые значения токов 13, 14 Компенсируемая асимметрия токов 13, 14

х=1 1 1з = 1о 114 = 1о А13.4=0

х=2 < 1з = 1о I = I -1 4 10 1б.р А13.4= -1б.р

х=3 < 13 = 10 ^4 = 10 — 21 б.р А13.4 21б.р

х=4 < 13 = 10 14 = 1о — 31 б.р А13.4= -31б.р

х=5 < 13 = 10 ^4 = 10 — 41 б.р А13.4= -41б.р

Если в формуле (1) принять т=2 то в этом случае СКМР - р-типа компенсирует как положительную, так и отрицательную разницу между токами 13 и 14 (табл. № 2).

Таблица № 2.

Влияние параметра «х» СКМР - р-типа на компенсацию асимметрии токов 13, 14

вида (2 - х)1бр в обобщенном дифференциальном каскаде при т=2.

Параметр «х» источника опорного тока 15=х10 Допустимые значения токов 13, 14 Компенсируемая асимметрия токов 13, 14

1 2 3

х=1 |13 = 21о [14 = 210 + 1 б.р. А13.4= +1б.р

х=2 {13 = 21о 114 = 21о А13.4= о

Окончание таблицы №2

1 2 3

т II < Із = 21о ^4 = 2І0 — 1 б.р АІ3.4= -Іб.р

х II < 13 = 2Іо 14 = 2Іо - 21 б.р АІз.4= -2Іб.р

х II < Із = 2Іо ^4 = 2І0 — 3І б.р АІ3.4= -3Іб.р

Таким образом, за счет выбора параметра «х» в СКМР р-типа можно уменьшить влияния на исм разницы между выходными токами ДК I3, I4, достигающую значений (т-х)Ібр (табл. №1, 2). В этом случае подсхема СКМР p-типа согласует токовые асимметрии по выходам 3 и 4 ДК, структура которого по условиям технического задания не может изменяться для получения равенства І3 = !4.

Аналогично с помощью СКМп д-типа при m=1 можно согласовать асимметрию выходных токов 13 и 14, достигающую значений (1 - х)Ібд (рис. 2а). Функции такого СКМ реализует в схеме, показанная на рис. 2б.

о +

з

о

о +

Т3= тіо +(т-х)Тбл11

тіб.

.П

*►

Вых

о-------о

[5

о

4

В общем случае для СКМ - п типа на р-п-р транзисторах допустимая асимметрия токов 13 и І4 ДК рис. 2а может достигать значений (т-х)Ібп,

где т- коэффициент пропорциональности (т = 1, 2, 3, 4, ...), характеризующий статические токи выходов 3 и 4 при рп = го,

х - коэффициент пропорциональности устанавливающий численные значения тока двухполюсника 15 (х = 1, 2, 3, 4, ..)

Если т=1 то допустимая асимметрия токов 13 и 14 определяется уравнением:

За счет изменения параметра «х», характеризующего источник опорного тока 15, можно уменьшить исм при неидентичностях токовых 13 и 14 в соответствии с таблицами №

13 = тІ0

14 = тІ0 + (т - Х)Іб.п’

(3)

(4)

Таблица № 3.

Влияние параметра «х» СКМП - п-типа на компенсацию асимметрии токов 13, 14 вида (1 - х)1бп в обобщенном дифференциальном каскаде при т=1.

Параметр «х» источника опорного тока 15=х10 Допустимые значения токов 13, 14 Компенсируемая асимметрия токов 13, 14

х=1 {Ь =10 114 =10 А13.4=0

х=2 {Ь = 1с 114 = 10 - I б.п А13.4= -1б.п

х=3 {13 =10 114 = 10 - 21 б.п А13.4 21б.п

х=4 {13 =10 114 = 10 — 31 б.п А13.4= -31б.п

х=5 {13 = 10 |14 = 10 — 41 б.п Й б. нч - 3. нч А

Таким образом, рассмотренный схемотехнический приём рекомендуется использовать в том случае, когда структура входного каскада ОУ [9, 10, 11] не подлежит модернизации для изменения её коэффициентов слабой токовой асимметрии. При этом введение СКМР или СКМп типов позволяет по другому, в отличии от [11], решить задачу минимизации исм при 13 Ф 14.

Статья подготовлена в рамках государственного задания Минобрнауки РФ на НИР № 8.3383.2011 (ЮРГУЭС-02.12.ГЗ) «Теоретические основы проектирования нового поколения СФ-блоков систем связи, телекоммуникаций и технической диагностики на основе радиационно-стойких технологий (БЮе, АБМК_1_3/4 и др.)», выполняемой в 20122014гг.

Литература

1. Прокопенко Н.Н., Серебряков А.И., Будяков П.С. Способ повышения стабильности нуля аналоговых микросхем с высокоимпедансным узлом в условиях температурных и радиационных воздействий [Текст] // Проблемы разработки

перспективных микро- и наноэлектронных систем- 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академи-ка РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 295-300

2. Пат. 2390918 Российская Федерация, МПК8 Н03Б 3/45, Н03Б 3/34.

Прецизионный операционный усилитель [Текст] // Прокопенко Н.Н., Глушанин С.В., Будяков П.С.: заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Российский

государственный университет экономики и сервиса». - № 2009102889/09; заявл.

29.01.2009; опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15. - 10с.: ил. (157)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Пат. 2390916 Российская Федерация, МПК8 Н03Б 3/45, Н03Б 1/34.

Прецизионный операционный усилитель [Текст] // Прокопенко Н.Н., Будяков П.С., Глушанин С.В.: заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Российский

государственный университет экономики и сервиса». - № 2009103501/09; заявл.

02.02.2009; опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15. - 10с.: ил. (160)

4. В.Г. Манжула, И.Б. Пугачев, Н.Н. Прокопенко Вариативный синтез схемы

операционного усилителя с пониженным напряжением смещения [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. - Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1037 (доступ свободный) - Загл. с экрана. -Яз. рус.

5. С.Г. Крутчинский, А.С. Исанин, Н.Н. Прокопенко, В.Г. Манжула

Радиационно-стойкий измерительный усилитель на базе мультидифференциальных входных каскадов [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. -Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1045 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

6. Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков, Д.Н. Конев Архитектура аналоговых

микросхем с повышенной стабильностью нулевого уровня в условиях температурных и радиационных воздействий [Текст] // Твердотельная электроника, сложные

функциональные блоки РЭА: материалы VIII Всероссийской научно-технической

конференции. - М.: ФГУП «НПП «Пульсар», 2009. - С. 29-31.

7. Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков, П.С. Будяков Компенсация напряжения

смещения нуля операционных усилителей с несимметричным включением активной нагрузки [Текст] // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика,

Телекоммуникации. Управление. СПб: Изд-во СПбГПУ , 2010. № 3 (101). - С.196-200

8. Н.Н. Прокопенко, П.С. Будяков, А.И. Серебряков Автономные параметры транзисторов базового матричного кристалла АБМК_1_3 в условиях радиационных и температурных воздействий [Текст] // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2012. Сборник трудов /под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМРАН, 2012. - С. 294-297

9. N. N. Prokopenko, A. I. Serebryakov, D. N. Konev The BiFET-Technology Voltage Analog Multipliers Based on the Radiation Resistant ABMC «Integral» // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2009). Proceedings. - Tomsk: The Tomsk IEEE Chapter&Student Branch. Russia, Tomsk, March 27-28, 2009. - P.P. 244-248.

10. Close, J., "High speed op amps: Performance, process and topologies," Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), 2012 IEEE , vol., no., pp. 1,8, Sept. 30 2012-0ct. 3 2012 doi: 10.1109/BCTM.2012.6352648

11. Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков Архитектура и схемотехника операционных

усилителей. Методы снижения напряжения смещения нуля в условиях температурных и радиационных воздействий: монография [Электронный ресурс] // Изд-во: LAMBERT Academic Publishing. - 2013. 127c .- Режим доступа: http://www.lap-

publishing.com/catalog/details/store/es/book/978-3-659-34664-4/Архитектура-и-схемотехника-операционных-усилителей . - Яз. рус.

Method of compensation offset voltage operational amplifiers with classical input stages based current mirrors

Текст научной работы на тему «Метод компенсации напряжением смещения нуля операционных усилителей с классическими входными каскадами на основе токовых зеркал»