Научная статья на тему 'Мультидифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля в условиях температурных и радиационных воздействий'

Мультидифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля в условиях температурных и радиационных воздействий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
119
353
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ / НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ / МОДЕЛИРОВАНИЕ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Прокопенко Николай Николаевич, Манжула Владимир Гавриилович, Белич Сергей Сергеевич

Рассмотрено схемотехническое решение, обеспечивающее уменьшение абсолютного значения напряжения смещения, а также его температурного и радиационного дрейфа при использовании в схеме токовых зеркал, имеющих коэффициент передачи по току, не равный единицеI

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Прокопенко Николай Николаевич, Манжула Владимир Гавриилович, Белич Сергей Сергеевич

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

n article it is considered the decision providing reduction of absolute value of pressure of displacement, and also its temperature and radiating drift at use in the scheme current the mirrors having factor of transfer on a current, not equal to unit.

Текст научной работы на тему «Мультидифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля в условиях температурных и радиационных воздействий»

Научно-технические ведомости СПбГПУ 3' 2010

УДК 621.37

Н.Н. Прокопенко, В.Г. Манжула, С.С. Белич

МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ В УСЛОВИЯХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Дифференциальные операционные усилители (ОУ) с несимметричным включением активной нагрузки (токового зеркала), обеспечивающей непосредственное управление двухтактным буферным усилителем (БУ) находят широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре [1, 2]. Такие ОУ обладают важными качествами: создают так называемый, «rail-to-rail выход» («от шины питания до шины питания») и имеют предельно простую структуру.

Существенный недостаток ОУ данного класса [3, 4] состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U ), зависящей от погрешности передачи по току (K) применяемого токового зеркала. Особенно существенной эта погрешность получается при использовании в ка-

честве токового зеркала простейших, но наиболее высокочастотных, схемотехнических решений, для которых К. Ф 1.

Предлагаемое техническое решение [5] (рис.1) обеспечивает уменьшение абсолютного значения исм, а также его температурного и радиационного дрейфа при использовании в схеме токовых зеркал, имеющих коэффициент передачи по току, не равный единице Кф 1. Такое значение К характерно для многих классических токовых зеркал. В ряде случаев в предлагаемом ОУ могут использоваться входы второго входного дифференциального каскада (Вх.( )3, Вх.(+)4), что позволяет реализовать на его основе так называемые «мультидифференциальные» ОУ, имеющие большие перспективы применения в микросхемотехнике.

Рис. 1. Структура мульдифференциального ОУ с малым смещением нуля

Семинары

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую исм, т. е. зависящие от схемотехники ОУ (рис. 1). Если величины токов I и I первого (ДК1) и второго (ДК2) входных дифференциальных каскадов равны 210, а ток источника опорного тока ¡3 - величине ¡о, то токи коллекторов транзисторов УТ1, УТ2, УТ3, УТ4 первого и второго входных дифференциальных каскадов определяются соотношением:

¡к1 ¡к2 ¡к3 ¡к4 ¡0 ¡б.р;

(1)

где ¡бр = ¡о/р. - ток базы 1-го п-р-п транзистора схемы при токе эмиттера / = ¡о, р. - коэффициент усиления по току базы 1-го транзистора.

Выходной ток повторителя тока ПТ2 (или так называемого «токового зеркала») определяется как

¡вых. пт2 ¡о ¡б.р ¡р. пт2,

(2)

где ¡р пт2 - разность токов на выходе и входе токового зеркала ПТ2, зависящая от его схемотехники.

Поэтому на основании закона Кирхгофа находим, что в узле А1 выполняется следующее токовое соотношение:

I * + I ,= ¡ч + ¡л + Ь . (3)

вых. пт2 вх. пт1 к2 к4 б.р 4 у

Как следствие, токи на входе и выходе токового зеркала ПТ1 определяются по формулам:

¡вх. пт1 ¡о Iр.пт2,

I 1 = ¡о + I 1 - I 2,

вых. пт1 о р.пт1 р.пт2'

(4)

(5)

где ¡рпт1 - разность токов на входе и выходе токового зеркала ПТ1, зависящая от его схемотехники.

Так как токовые зеркала ПТ1 и ПТ2 выполнены с использованием идентичных схемотехнических решений, то разность их токов ошибки ¡р равна нулю. Поэтому разностный ток ¡у в узле «А» при I ~ о, в случае его замыкания на некоторый эквивалентный источник напряжения Е^, равный статическому напряжению и а в схеме ОУ с обратной связью, будет равен нулю:

¡у = I 1 - ¡3 = о.

У вых. пт1 3

(6)

Таким образом, в предлагаемом ОУ при выполнении условия (6) уменьшается систематическая составляющая исм, обусловленная конечной величиной р транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает исм, т. к. разностный ток ¡у в узле «А» создает исм, зависящее от крутизны £ преобразования входного дифференциального напряжения и в разностный ток узла «А»:

г. Ч 1

5 = —=-, (7)

"вх Гэ1 +

где Гэ1 = Гэ2 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов УТ1 и УТ2 входного дифференциального каскада ДК1.

Поэтому для схемы (см. рис. 1) напряжение смещения нуля для входов Вх1 и Вх2:

исм~игэ1+гэ2) = 1

2ф,

«0,

(8)

о У

где фт = 26 мВ - температурный потенциал.

В классическом ОУ ¡у Ф о. Поэтому здесь систематическая составляющая исм получается как минимум на порядок больше, чем в предлагаемой схеме.

На рис. 2 показаны схемы классического и предлагаемого ОУ в среде компьютерного моде-

а)

Пг

гУм Пий

Л.

о»

ш

ф.

Рис. 2. Схемы классического (а) и предлагаемого (б) ОУ в среде компьютерного моделирования PSpice

^ Научно-технические ведомости СПбГПУ 3' 2010

а)

i

Ъ -5

OJ S X

X -ю

DV

Пред! агаемьй-

■А-

0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 Kiтокового зеркала

1,15

Рис. 3. Зависимости напряжения смещения сравниваемых схем от коэффициента передачи по току К. токовых зеркал (а) и температурная зависимость напряжения смещения нуля ОУ(б)

лирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На рис. 3, а представлена зависимость напряжения смещения нуля схем (см. рис.2) от коэффициента передачи по току К. токовых зеркал ПТ1 и ПТ2 (К. = К.121 = К.122), а на рис. 3, б температурная зависимость модуля напряжения смещения нуля этих схем.

Компьютерное моделирование схем показывает, что несмотря на существенное уменьше-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ние в транзисторов вследствие радиационных и тепловых воздействий, предлагаемый мульти-дифференциальный ОУ и в этих условиях обладает низким напряжением смещения нуля (около 140 мкВ), дрейф которого составляет 5 мкВ в диапазоне 50 °С. Это значительно меньше, чем у классической схемы.

Статья подготовлена в рамках госконтракта П507 от 05.08.2009 г. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)».

1. Патент US № 4.366.442 fig. 2. Current U.S. Class: 330/51 ; 330/254; 330/255; 330/265; 330/267. Amplifier with muting circuit / Yamada; Hisashi : Assignee Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha. -Dec. 28, 1982

2. Патентная заявка US 20070152753 fig. 5c. Current U.S. Class: 330/261. System and method for clamping a differential amplifier / Swanson; Leland Scott; Assignee: Texas Instruments Incorporated. -July 5, 2007

3. Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных уси-

лителей: монография [Текст] / Н.Н.Прокопенко, А.С. Будяков. -Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. -231 с.

4. Полонников, Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника: монография [Текст] / Д.Е. Полонников. -М., 1983.-216 с.

5. Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля: заявка на патент РФ, МПК: H03F 3/45, H03F 3/34 [Текст] / Прокопенко Н.Н., Манжула В.Г., Морозов С.А. -№ 2009142660/09; заявл. 18.11.2009.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.