Научная статья на тему 'Метод компенсации напряжением смещения нуля операционных усилителей с классическими входными каскадами на основе токовых зеркал'

Метод компенсации напряжением смещения нуля операционных усилителей с классическими входными каскадами на основе токовых зеркал Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
894
107
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА / СХЕМОТЕХНИКА / ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ / ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ / НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ / ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ / ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИИ НА НУЛЕВОЙ УРОВЕНЬ / MICROELECTRONICS / CIRCUIT DESIGN / A DIFFERENTIAL AMPLIFIER / OPERATIONAL AMPLIFIER / VOLTAGE OFFSET / TEMPERATURE DRIFT / THE EFFECT OF RADIATION ON THE ZERO LEVEL

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Прокопенко Николай Николаевич, Серебряков Александр Игоревич

Рассматриваются метод уменьшения одной из наиболее существенных составляющих напряжения смещения нуля Uсм операционных усилителей (ОУ), выполненных по классическим архитектурам с токовыми зеркалами, которая связана с изменением коэффициент усиления по току базы (β) биполярных транзисторов в условиях температурных и радиационных воздействий. Для решения данной задачи в базовую архитектуру ОУ вводится специ-альный корректирующий многополюсник, который обеспечит согласование слабой токовой асимметрии входного дифференциального каскада (ДК). Метод применим для ОУ, в которых нецелесообразно вносить какие-либо корректировки в исходную структуру ДК. Получены аналитические выражения, определяющие основные параметры цепей компенсации Uсм, а так же приведены табличные данные, упрощающие выбор типовых функциональных узлов прецизионных ОУ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Прокопенко Николай Николаевич, Серебряков Александр Игоревич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

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

Are considered method of reducing one of the most essential components of the voltage offset Uvo operational amplifiers (op-amp), executed on classical architecture with current mirrors, which is linked to the change current gain of base (β) bipolar transistors in conditions of temperature and radiation effects. To solve this problem in the basic architecture of op-amp is entered special corrective multipole, which will provide low-current asymmetry in coordination of input differential stage (DS). The method is applicable to op-amp, which is inexpedient to make any adjustments to the original structure of the DS. The analytical expressions determining basic parameters the compensation circuits Uvo, and also shows the tabular data that simplify the choice of standard functional components of precision op-amps.

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

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.

*►

Вых

о-------о

[5

о

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.