Метод компенсации напряжением смещения нуля операционных усилителей с классическими входными каскадами на основе токовых зеркал

Рассмотренные в [1] методы минимизации напряжения смещения нуля (U_см) 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 I₃, I₄ 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 U_см 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.

а).

б) Рис. 1. Метод СКМ-p компенсации слабой токовой асимметрии вида (m-x) I_б.p 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-p типа на n-p-n транзисторах рис. 1б допустимая асимметрия токов I₃ и I₄ ДК рис. 1а может достигать значений (m-x) I_б.p:

каскад токовый технологический.

(1).

где m — коэффициент пропорциональности (m = 1, 2, 3, 4, …), характеризующий статические токи выходов 3 и 4 ДК при коэффициенте усиления токов базы всех n-p-n транзисторов вp = ?,.

x — коэффициент пропорциональности устанавливающий численные значения тока двухполюсника I₅ (x = 1, 2, 3, 4.), кратные току I₀.

В формуле (1), под I₀ 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 m=1. В этом случае допустимая асимметрия токов I₃ и I₄ в схеме рис. 1а определяется уравнением:

?I₄₃ = I₄ — I₃ = (1-x) I_б.p. (2).

За счет изменения параметра «x», характеризующего источник опорного тока I₅, можно скомпенсировать влияние на U_см неидентичности токов I₃ и I₄ вида (1-x) I_б.p в соответствии с таблицей № 1.

Таблица 1. Влияние параметра «x» СКМ^p — p-типа на компенсацию асимметрии токов I₃, I₄ вида (1 — x) I_б.p в обобщенном дифференциальном каскаде с классическими токовыми зеркалами при m=1.

Параметр «x» источника опорного тока I5=xI0	Допустимые значения токов I3, I4	Компенсируемая асимметрия токов I3, I4
x=1.		?I3.4=0.
x=2.		?I3.4= - Iб.p
x=3.		?I3.4= -2Iб.p
x=4.		?I3.4= -3Iб.p
x=5.		?I3.4= -4Iб.p

Если в формуле (1) принять m=2 то в этом случае СКМ^p — p-типа компенсирует как положительную, так и отрицательную разницу между токами I₃ и I₄ (табл. № 2).

Таблица 2. Влияние параметра «x» СКМ^p — p-типа на компенсацию асимметрии токов I₃, I₄ вида (2 — x) I_б.p в обобщенном дифференциальном каскаде при m=2.

Параметр «x» источника опорного тока I5=xI0	Допустимые значения токов I3, I4	Компенсируемая асимметрия токов I3, I4
x=1.		?I3.4= +Iб.p
x=2.		?I3.4= 0.
x=3.		?I3.4= - Iб.p
x=4.		?I3.4= -2Iб.p
x=5.		?I3.4= -3Iб.p

Таким образом, за счет выбора параметра «x» в СКМ^p p-типа можно уменьшить влияния на U_см разницы между выходными токами ДК I₃, I₄, достигающую значений (m-x) I_б.p (табл. № 1, 2). В этом случае подсхема СКМ^p p-типа согласует токовые асимметрии по выходам 3 и 4 ДК, структура которого по условиям технического задания не может изменяться для получения равенства I₃ = I₄.

Аналогично с помощью СКМⁿ n-типа при m=1 можно согласовать асимметрию выходных токов I₃ и I₄, достигающую значений (1 — x) I_б.n (рис. 2а). Функции такого СКМ реализует в схеме, показанная на рис. 2б.

а).

б) Рис. 2. Метод СКМ — n компенсации слабой токовой асимметрии вида (m-x) I_б.n по выходам 3 и 4 ДК (а) и устройство для его осуществления (б)

В общем случае для СКМ — n типа на p-n-p транзисторах допустимая асимметрия токов I3 и I4 ДК рис. 2а может достигать значений (m-x) Iб. n,.

(3).

где m — коэффициент пропорциональности (m = 1, 2, 3, 4, …), характеризующий статические токи выходов 3 и 4 при в_n = ?,.

x — коэффициент пропорциональности устанавливающий численные значения тока двухполюсника I₅ (x = 1, 2, 3, 4.).

Если m=1 то допустимая асимметрия токов I₃ и I₄ определяется уравнением:

. (4).

За счет изменения параметра «x», характеризующего источник опорного тока I₅, можно уменьшить U_см при неидентичностях токовых I₃ и I₄ в соответствии с таблицами № 3.

Таблица 3. Влияние параметра «x» СКМⁿ — n-типа на компенсацию асимметрии токов I₃, I₄ вида (1 — x) I_б.n в обобщенном дифференциальном каскаде при m=1.

Параметр «x» источника опорного тока I5=xI0	Допустимые значения токов I3, I4	Компенсируемая асимметрия токов I3, I4
x=1.		?I3.4=0.
x=2.		?I3.4= - Iб.n
x=3.		?I3.4= -2Iб.n
x=4.		?I3.4= -3Iб.n
x=5.		?I3.4= -4Iб.n

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 СКМ^p или СКМⁿ типов позволяет по другому, в отличии от [11], решить задачу минимизации U_см при I₃? I₄.

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 (SiGe, АБМК₁_¾ и др.)», выполняемой в 20 122 014 гг.

• 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 микрои наноэлектронных систем — 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академи-ка РАН А. Л. Стемпковского. — М.: ИППМ РАН, 2010. — С. 295−300
• 2. Пат. 2 390 918 Российская Федерация, МПК8 H03 °F 3/45, H03 °F 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». — № 2 009 102 889/09; заявл. 29.01.2009; опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15. — 10 с.: ил. (157)
• 3. Пат. 2 390 916 Российская Федерация, МПК8 H03 °F 3/45, H03 °F 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». — № 2 009 103 501/09; заявл. 02.02.2009; опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15. — 10 с.: 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 АБМК₁_3 в условиях радиационных и температурных воздействий [Текст] // Проблемы разработки перспективных микрои наноэлектронных систем — 2012. Сборник трудов /под общ. ред. академика РАН А. Л. Стемпковского. — М.: ИППМ РАН, 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;Oct. 3 2012 doi: 10.1109/BCTM.2012.6 352 648
• 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/978−3-659−34 664−4 / Архитектура-и-схемотехника-операционных-усилителей. — Яз. рус.