CC BY
355
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
<ц
Ъ -5
OJ S X
<и
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.
