CC BY
81
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры: расчет и реализация. - М.: Мир, 1982. - 452 с.
2. Турумш КН. Управляемые цифровые фильтры / Технолог. ин-wt. Южн. федерал. ун-тета. - Таганрог, 2009. - 260 с. Библиогр. 22 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 18.06.09. №383-В2009.
Статью рекомендовал к опубликованию к.т.н. АЛ. Долгов.
Турулин Игорь Ильич
Технологический институт федерального государственного автономного
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный
федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371638.
Кафедра автоматизированных систем научных исследований и экспериментов; профессор.
Булгакова Юлия Ивановна
E-mail: [email protected]. Тел.: 88634673641. .
Turulin Igor' Il'ich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational
Establishment of Higher Vocational Education "Southern Federal University".
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371638.
The Department of Automated Research Systems; Professor.
Bulgakova Uyliya Ivanovna
E-mail: [email protected]. Phone: +78634673641. Postgraduate Student.
УДК 621.37
Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков, П.С. Будяков
МЕТОДЫ ВЗАИМНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ВЛИЯНИЯ ТОКОВЫХ
АВТОНОМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВ НА НУЛЕВОЙ УРОВЕНЬ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ
Рассматривается задача синтеза структурных и принципиальных схем аналоговых устройств (отращенных усилителей, непрерывных стабилизаторов, компараторов напряжения и т.п.), имеющих малый нулевой уровень (исм), и его дрейф в условиях температурных и радиационных воздействий. При этом за основу для модернизации приняты хорошо известные схемы базовых аналоговых микросхем, в которые по сформулированным ниже правилам вводится некоторая структурная избыточность, обеспечивающая уменьшение им и его дрейф на один-два порядка.
Радиация; температура; напряжение смещения нуля; операционный усилитель; компенсация; аналоговая микросхема.
N.N. Prokopenko, A.I. Serebryakov, P.S. Budyakov
METHODS OF MUTUAL COMPENSATION OF THE INFLUENCE OF CURRENT AUTONOMOUS PARAMETERS OF TRANSISTORS ON A ZERO-LEVEL ANALOG CIRCUITS
The problem of synthesis, of structural and schematics of analog devices (operational amplifiers, continuous stabilizers, voltage comparators, etc.) with small zero-level (offset voltage, Uov), and its drift in temperature and radiation effects. At the same time as the basis for the modernization of the scheme adopted by well-known basic analog circuits, in which by the rules set forth below, we introduce some structural redundancy, which provides a decrease Uov and its Effect on one or two orders of magnitude.
Radiation; temperature; offset voltage; operational amplifier; compensation; analog microcircuit.
.
эмиттер-база (Ua6), обратный ток коллекторного перехода 1кб и коэффициент усиления по току базы (Р) транзисторов, влияющих на напряжение смещения нуля операционных усилителей, компараторов и др. AM.
Для минимизации первой систематической составляющей UCM., обусловленной дрейфом U, применяются хорошо известные параллельно-бадансные схемы
.
Что касается второй составляющей UCM., зависящей от изменений р транзи-, -
, ( ),
которых реализуются эффекты взаимной компенсации абсолютных значений то, , -
,
.
Автономные параметры транзисторов в условиях радиационных и тем. -
ционных воздействий схемных функций аналоговых устройств, содержащих многополюсные элементы, необходимо оценить их автономные параметры [2]:
Ewr E0wr + AEwr; Jws Jws + AJws, (1)
ДГ
где E)wr = U°r - (I zrifi + z Vrj Uj); J°ws = f, - (Z Bi fi + X ysj U°j); yri = -
,3U.
dU;'
-'wr" / ,
« Эеk
j
df dU . ^dl'
(e k), Bsi , ц ri =—^ ,AJws= X д X 0,e k dli j „ Эе k
dUr
z ■ = ■
ri
X e (ek - e K)' X 0 ,ek
где Е>У]Г , />ш - постоянные составляющие автономных параметров Екг, 1К„; е0к ,ек -внешние возмущающие факторы; АЕКГ, - отклонение автономных параметров; и I - переменные, характеризующие каждый вход многополюсного элемента [2].
Уравнения транзистора как автономного четырехполюсника (рис. 1) для системы Ь-параметров в схеме с общей базой имеют вид
Щ = ЪЦЦ + ¿12«2 + е*н + еН , ¿2 = V/ + Н22Щ2 + Л + ЛН , (2)
где еи, ]и - автономные параметры транзистора, учитывающие влияние температуры на статический режим; еи*, ]и* - автономные параметры транзистора, характеризующие влияние радиации.
и2
икв
<
ик6
¿1 = и, и, = ик,
с ф
о Э
б
Рис. 1. Транзистор как автономный четырёхполюсник (а) и его эквивалентная схема с учетом автономных параметров и ей" (б)
Причём:
ди,
дТ
йТ
Л = Л 1 1р
Т = Тр
Ли =
££2
дТ
йТ £1 = £1р Т =ТР
Для схемы включения п-р-п-транзистора с общей базой численные значения автономных параметров еи" и ]и" можно найти по формулам
- иэб
ДГ,
Л =Да- +Д1кв,,
Э.р- ДТ+ 1Аое^,
р Т
где иго - ширина запрещенной зоны (дня кремния и^=1,2 В); Т, ДТ - температура окружающей среды и её изменение; с - температурный коэффициент; 1т~,.и - обрат-
К а
ный ток коллекторного перехода; Да = • ДТ = Ка(1 - а )ДТ ; Ка = 1 ■ 2 - постоянная транзистора; Р( а) - коэффициент усиления по току базы (эмиттера).
Для определения численных значений и еи*" необходимы радиационные испытания транзисторов или их компьютерные модели.
Особенности архитектуры прецизионного операционного усилителя с несимметричным включением входного каскада.Как показано в [1], одно из условий минимизации напряжения смещения нуля в ОУ с высокоимпедансным узлом «А» является минимизация разностного тока £р ~ 0 при = 0, который
выражается через коэффициенты токовой асимметрии (1р, кр4, кп4) функциональных :
£ - £- X £
1вых.\ Лр1 б.р'
или после преобразований
а
е, =
и
о
е
и
1Р = (кР4 - тр + %р1 - х )1б + + 1п1 - тп )1ЙМ .
(4)
Если учесть, что кр4 = 0,5%р0 -1, кп4 = 0,5%п0, то условие минимизации смещения нуля ОУ с архитектурой рис. 2 можно представить в виде
[а 5£ р 0 + £р,= тр + Хр
Io, Яп о+ 4 = тп.
(5)
Данная система уравнений является основой проектирования прецизионного . 2, .
а б
Рис. 2.0бобщенная схема операционногоусшителя с высокоимпедансным узлом
«А» (а), архитектура прецизионного ОУ с несимметричным включением
входного ДК1 (б)
Для практического построения разных модификаций ОУ необходимо располагать базой данных о коэффициентах асимметрии основных функциональных узлов ОУ - токовых зеркал, буферных усилителей, дифференциальных каскадов, источников опорного тока.
Способы введения слабой токовой асимметрии в базовых функциональных узлах прецизионных аналоговых микросхем.Уменьшение напряжения смещения нуля (и,м) в архитектуре рис. 2 связано, прежде всего, с созданием условий, при которых в высокоимпедансном узле «А» обеспечивается взаимная компенсация токов в соответствии с уравнениями (4) или (5). Практически это означает, что функциональные узлы ОУ, образующие подсхемы ДК и БУ (токовые зер-, , ,
. .), , (4) (5),
.
Токовое зеркало. Идеальное токовое зеркало (рис. 3) обеспечивает точное повторение входного тока /вх в широком диапазоне напряжений питания £„+.
Практически выходной ток /вьШ.1 реального токо вого зеркала ПТ1 отличается от 1ех на 4«:
'шхЛ 'вх.1 + %п11б.п + %рх'б.р 1вх.1 + 1'см ,
где %п1,%р1 - коэффициенты пропорциональности, принимающие потенциальные или относительные значения; \йл, 1Скр - токи базы р-п-р и п-р-п основных транзисторов токового зеркала (ПТ1) при токе эмиттера 1:Я = 10; /0( = %п11б.п + %р11,гР -
ток смещения нуля проходной характеристики ПТ1. В [3] приводится база данных ПТ, включающая как известные, так и новые схемотехнические решения.
-о +Е (п+)
^ ={ 0, 1, -1, 2, -2...}
Кц2.1—1
1вх.11
5р1 ={ 0,1, -1, 2, -2...}
о
Вхй
ПТ1
| 1Вых.1 - ^вх! + 5пА.п +
р1 б.р
Выхн
Рис. 3. Токовое зеркало со смещением нуля проходной характеристики
Дифференциальный каскад. В общем случае асимметрия входного дифференциального каскада учитывается в уравнениях его статических выходных токов рис. 4 коэффициентами кр3, ки3, кр4, кн4, ненулевые значения которых указывают на отличие 13 и 14 от некоторых идеальных значений 10.
I т
Вх 1
3 4
ДК
О - 10
УТ2
Крз ={ 0,1, -1, 2, -2..
кп3 - { 0,1, -1, 2, -2..
Вх.2
кр4 ={ 0, 1, -1, 2, -2..
Кп4 -{ 0, 1, -1, 2, -2...
. 4.
Буферный усилитель. Входные токовые координаты буферных усилителей рис. 5 определяют условие минимизации Шм операционных усилителей с высо-.
!ву - хр!б.р хп!б.п
х„1<
Вх о—
р-1-б.р
Хр -{ 0, 1, 2, 3...} Хп -{ 0, 1, 2, 3...}
Тву ХтЛб.п
Рис. 5. Обобщенный буферный усилитель с двумя составляющими входных токов
Поэтому при синтезе практических схем необходимо иметь базу данных об их основных параметрах хр, х„.
Источник опорного тока. Для формирования заданного уровня токовой
асимметрии дифференциальных каскадов и токовых зеркал в ряде случаев необхо-
( ), -
тический режим (рис. 6).
Ч - ^0 + Кр31о.р + "^оп
10 = ё10 + £ р01б.р + ^б.п 12 = 10 + тр^.р + тп^.п
ИОТ
з? 13 = хЛ,
ё = { 0,1, 2...} £п0 ={ 0, 1, -1, 2, -2...}
^0 ={ 0, 1, -1, 2, -2...} тр ={ 0, 1, -1, 2, -2...}
тп ={ 0, 1, -1, 2, -2...}
Рис. 6. Источник опорных токов со слабой токовой асимметрией
Кроме того, в качестве ИОТ с заданным смещением нуля относительно идеального значения 10 могут применяться токовые зеркала.
Компьютерное моделирование ОУ с повышенной стабильностью нулевого уровня. На рис. 7,а показана архитектура несимметричного прецизионного ОУ в среде компьютерного моделирования Р8р1се на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на рис. 8,9 показаны результаты моделирования схемы рис. 7,а.
V.
Коз С^сОх КэС1Е
Ко4 КЭС1Е
'Ф
ф 1т ф'
5 з
виЬв^
а б
Рис. 7. Практическая реализация архитектуры прецизионного ОУ с несимметричным включением входного ДК1 (а), схема ОУ в среде компьютерного моделирования РБр1св на моделях АБМК «Интеграл» (б)
VI
С
05 Г Об
ЭС1Е КэС1Е
V2
Рис. 8. Зависимость напряжения смещения нуля исм (нижний график) и транзисторов схемы (верхний график) от потока нейтронов, сравниваемых схем ОУ
-60 -40 -20 О 20 40 60 80 100 120
v(out) v(out2) Температура, °С
Рис. 9. Зависимость выходного напряжения смещения Ucm (нижний график), и ft транзисторов схемы (верхний график) от температуры
Графики рис. 8 и 9 показывают, что, несмотря на существенные изменения fí транзисторов вследствие радиационных и температурных воздействий, предлагаемый ОУ имеет малое напряжение смещения нуля.
Замечательная особенность предлагаемой схемы - низкая чувствительность напряжения смещения нуля (UCM) к одновременному изменению под действием
температуры или радиации токов I{ = I2 + /3 = 2/0, устанавливающих статический
режим транзисторов ОУ.
Выводы. 1. Решена задача синтеза структурных и принципиальных схем аналоговых микросхем с высокоимпедансным узлом, имеющих малый нулевой уровень (усм) в условиях температурных и радиационных воздействий.
2.
узлов AM (ДК1, ПТ1, БУ, ИОТ и др.), одновременно удовлетворяющих условиям взаимной компенсации, можно синтезировать более 1000 практических схем пре-.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Прокопенко КН., Серебряков А.И., Будяков П.С. Способ повышения стабильности нуля аналоговых микросхем с высокоимпедансным узлом в условиях температурных и радиационных воздействий // Всероссийская научно--техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» МЭС-2010. - М., http://www.mes-conference.ru//
2. Анисимов В.И. Топологический расчет электронных схем. - Л., 1977. - 240 с.
3. Теоретические основы собственной и взаимной компенсации импедансов и их практические приложения в прецизионных аналоговых микросхемах для систем управления, технической диагностики и телекоммуникаций нового поколения. Отчет по НИР (промежу-точ.): ЮРГУЭС-23.09ФЦП / Южно-Российский гос. ун-т экономики и сервиса (ЮРГУЭС); рук. Прокопенко Н.Н.; исполн.: Божич В.И., Крутчинский СТ., Манжула ВТ. и др. - Шахты: ЮРГУЭС, 2010. - Ч. 2. - 708 с.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор СТ. Крутчинский.
Прокопенко Николай Николаевич
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.
E-mail: [email protected].
346500, г. Шахты, ул. Шевченко, 147.
Тел.: 88636222037.
- ;
.
Серебряков Александр Игоревич E-mail: [email protected]. Тел.: +79034346279. Аспирант.
Будяков Петр Сергеевич E-mail: [email protected]. Тел.: +79185187649. .
Prokopenko Nikolay Nikolaevich
South Russia State University of Economics and Service. E-mail: [email protected]. 147, Shevchenko Street, Shakhty, 346500, Russia. Phone: +78636222037.
The Rector of the South-Russian State University of Economy and Service; Professor.
Serebryakov Alexander Igorevich
E-mail: [email protected]. Phone: +79034346279. Postgraduate Student.
Budyakov Peter Sergeevich
E-mail: [email protected]. Phone: +79185187649. Student.
УДК 621.375
H.H. Прокопенко, П.С. Будяков, А.И. Серебряков
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ КЛАССИЧЕСКОГО КАСКАДА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ В АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМАХ С НИЗКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ
Проводится анализ архитектурных, схемотехнических и технологических ограничений на коэффициент усиления по напряжению (Ку) каскада с общей базой. Рассматриваются методы повышения Ку, основанные на принципах собственной компенсации домини-
. -
, -
росхемах на основе SiGe-технологических процессов.
; ; SiGe- .
N.N. Prokopenko, P.S. Budyakov, A.I. Serebryakov
METHODS OF INCREASING VOLTAGE GAIN OF CLASSICAL STAGE WITH A COMMON BASE IN ANALOG IC WITH LOW-VOLTAGE SUPPLY
The analysis the architecture, circuit design and technological limitations on the voltage gain (Kv) of stage with a common base. onsider methods to increase Kv, based on the principles of self compensation of the dominant impedance. Considered design features chains of compensation show that this circuit solution quite promising in analog chips, based on SiGe processes. ascade with a common base; voltage gain; SiGe-technology.
Введение. В современной микросхемотехнике используются не более 10-15 базовых функциональных узлов, определяющих качественные показатели достаточно широкого класса микроэлектронных изделий. В этой связи большой практический интерес представляет оценка предельных возможностей по величине ко-
