Вариативный синтез схемы операционного усилителя с пониженным напряжением смещения нуля

Манжула Владимир Гавриилович; Пугачев Илья Борисович; Прокопенко Николай Николаевич

12 1 В.Г. Манжула , И.Б. Пугачев , Н.Н. Прокопенко

1ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», г. Шахты Ростовской обл.

2ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э.Баумана», г. Москва

В современной аналоговой микроэлектронике широкое применение получили операционные усилители (ОУ) на основе, так называемых, «перегнутых каскодов» [1], которые стали основой более 30 серийных микросхем зарубежных (НА2520, НА5190, Л0797, Л08631, Л08632, ОР90 и др.) и российских (154УД3 и др.) производителей. Типичным представителем такого решения является схема (рис.1.а), описанная в патенте США № 6.144.234 фирмы Сапоп. Как показано в [2] во многих ОУ с высокоимпедансным узлом, в том числе и на «перегнутом каскоде», не обеспечивается собственная компенсация погрешностей, связанных с конечной величиной коэффициента усиления по току базы применяемых транзисторов Д Это является причиной повышенных значений напряжения смещения нуля ОУ (исм).

В настоящей работе рассматриваются варианты синтеза ОУ, обладающих эффектом собственной компенсации систематической составляющей исм и его дрейфа в условиях температурных и радиационных воздействий.

Рис. 1 Классический ОУ на основе «перегнутого» каскода (а) и обобщенная схема

предлагаемого ОУ (б)

В предлагаемой обобщенной схеме ОУ (рис. 1.б) [3] в статическом режиме при ивх = 0 нулевое значение напряжения смещения нуля ОУ обеспечивается в том случае, если коллекторные токи транзисторов УТ5 и УТ7 равны друг другу (при нулевом входном токе буферного усилителя (БУ)). Если статические значения 1к5 ^ 1к7, то это вызывает необходимость подачи между входами Вх.1 и Вх.2 ОУ напряжения исм, которое приведет к равенству 1к5 = 1к7 за счет изменения токов 12 и 13.

Взаимосвязь 1к5 и 1к7 можно установить с учетом следующих токовых соотношений в схеме рис. 1.б, вытекающих из первого закона Кирхгофа:

1к4 = «41 2 ; 1к5 = — 1к1о)<^5 ;

I = I - I - I* = I - I '

-'к!! *к4 1б 1б 2э11 1б ;

I = I -I* •

1 э11 1 к4 1 б ;

I = I = I -1* •

1 э9 1э11 1к4 1б ;

4, = Iэ9 - Ь=4-Ь-16 = I*; (1)

^ 7 = ^ 7 — ^ ^4 - 2^ - ;

^10 = ; Iк10 = ^б — ^ ;

Iк 5 = «5^ 3 — «5 2 б + «5 !-б ;

^ 7 = «4 ^ — ^б + ^ ,

где а4, а5& 1 - коэффициенты усиления по току эмиттера транзисторов УТ4 и УТ5;

^ - ток базы транзисторов УТ7, УТ9, УТ11 при одинаковых токах эмиттеров;

I* - ток базы транзистора УТ10 (I_ << !б ).

Из выражений (1) следует, что разность токов в высокоимпедансном узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину составляет

Л = ^ — ^7 = Ца5 — «) + 2/б (1-а5) + 2^, (2)

где I = !2 = ^.

Так как а5 = а4, то

Л = 2Iб (1 —«5) + 2-^- = 24 [(1 — «) + Д-01 ], (3)

Р10

где Д0>>1 - коэффициент передачи по току базы транзистора УТ10.

Разность токов ЛІ приводится к входу ОУ через эквивалентную крутизну для дифференциального сигнала

*;=#. (4)

им

При этом напряжение смещения нуля ОУ будет равно

им =Л. (5)

Можно показать, что для схемы классического ОУ (рис.І.а)

и* = Л[_ = 4Ig (6)

^ см • \ /

^ V ^ 7

Г I

Таким образом, при равенстве значений крутизны в предлагаемом ОУ

напряжение смещения нуля уменьшается по сравнению с классической схемой в Ке-раз, где

и:„ 2

N ==-------------------->> 1 (7)

С исм (1 -«5) + Р-Г ()

или после преобразований

М, = х 2 х >>1. (8)

----1----

Р5 Ро

Если положить, что Р = Р5 = Р10, то выигрыш по величине исм составляет

М, =Р>> 1. (9)

В работах [4, 5] показано, что существуют различные варианты реализации базовых функциональных узлов ОУ с архитектурой, представленной на рис.1б. Предложенная в работе [6] функциональная модель и рассмотренный в работе [7] алгоритм синтеза схемотехнических решений ІР модулей СФ-блоков позволил реализовать ряд модификаций обобщенной схемы (рис.1б).

На рис. 2 представлены варианты построения ОУ (рис. 1.б), в которых входной преобразователь напряжение-ток (ПНТ) реализован на основе: «перегнутого» параллельнобалансного каскада (рис. 2.а), классического параллельно-балансного каскада (рис.2.б) и комплементарного дифференциального каскада на п-р-п и р-п-р транзисторах (рис. 2.в). Тип используемого входного узла ПНТ определяется разработчиком ІР модуля.

Рис. 2 Варианты реализации обобщенной схемы на основе: «перегнутого» параллельнобалансного каскада (а), классического параллельно-балансного каскада (б) и комплементарного дифференциального каскада на п-р-п и р-п-р транзисторах (в)

На рис. 3 представлены схемы классического ОУ (рис. 3.а) и предлагаемого ОУ с аналогичным схемотехническим решением элемента ПНТ (рис. 3.б) в среде компьютерного моделирования РБріее на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Моделирование ОУ показало, что напряжение смещения нуля ОУ (рис. 3.а) составляет 1,8

мВ, тогда как у предлагаемого ОУ (рис. 3.б) значение исм не превысило 0,15мВ, т.е. имеется улучшение исм более чем на порядок.

і . «2 і ?»3»Г 14 - ||в‘

П □'

УОРР = » УЛМР|_= 1 РРЕО = 1к

’©

а) б)

Рис. 3 Схема классического ОУ (а) и предлагаемого ОУ (б) в среде компьютерного моделирования РБріее на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар»

На рис. 4 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ОУ.

Рис. 4 АЧХ классического и предлагаемого ОУ

Таким образом, компьютерное моделирование подтверждает результаты качественного анализа. В предлагаемом ОУ без значительного увеличения числа элементов существенно повышаются статическая точность и коэффициент усиления по напряжению в сравнении с базовой схемой. Варианты реализации ОУ на основе различных типов ПНТ позволяют разработчику синтезировать ІР модуль ОУ с заданными точностными и динамическими характеристиками с учетом условий эксплуатации.

Литература:

1. Матавкин, В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В. в. Матавкин. - М.: Радио и связь, 1989. - 74 с.

2. Прокопенко, Н. Н. Способ повышения стабильности нуля аналоговых микросхем с высокоимпедансным узлом в условиях температурных и радиационных воздействий [Текст] / Н. Н. Прокопенко, А. И. Серебряков, П.С. Будяков // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем : сб. науч. трудов всерос. науч.- практ. конф. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 295-300.

35

У4

У5

УАМРІ. = 1 РРЕО = 1к

У6

3. Прецизионный операционный усилитель [Текст] : пат. 2368064 Рос. Федерация: МПК H03F 3/45 / Н.Н. Прокопенко, В.Г. Манжула, А.И. Серебряков ; заявитель и патентообладатель Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса . -№ 2008104193/09(004569); заявл. 04.02.2008; опубл. 20.09.2009, Бюл. № 26.

4. Манжула, В.Г. Синтез неизбыточных функциональных схем микроэлектронных систем в корпусе (БіР) [Текст] / В. Г. Манжула // Системы управления и информационные технологии. - 2011. - № 3 (45). - С. 41 - 44.

5. Крутчинский, С.Г. Собственная компенсация в радиационно-стойких микросхемах на основе базового матричного кристалла АБМК_1_3 [Текст] / С.Г. Крутчинский, Н.Н. Прокопенко // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. Информатика, телекоммуникации, управление. - 2012. - № 2. - С. 137 - 144.

6. Манжула, В.Г. Исключение структурной, функциональной и схемотехнической избыточности при синтезе аналоговых систем в корпусе [Текст] / В.Г. Манжула // Научнотехнический вестник Поволжья. - 2011. - № 2. - С. 123 - 127.

7. Манжула, В.Г. Информационная поддержка синтеза схемотехнически интегрированных принципиальных электрических схем [Текст] / В.Г. Манжула // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. Информатика, телекоммуникации, управление. - 2012. - № 2. - С. 144 -151.

Статья подготовлена при выполнения НИР по теме «Разработка и исследование аналоговой электронной компонентной базы нового поколения для систем связи, радиоэлектроники и технической кибернетики» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы»

Текст научной работы на тему «Вариативный синтез схемы операционного усилителя с пониженным напряжением смещения нуля»