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

Аннотация

Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков

Дата поступления статьи: 18.03.2013

Рассматриваются метод уменьшения одной из наиболее существенных составляющих напряжения смещения нуля Uсм операционных усилителей (ОУ), выполненных по классическим архитектурам с токовыми зеркалами, которая связана с изменением коэффициент усиления по току базы (β) биполярных транзисторов в условиях температурных и радиационных воздействий.
Для решения данной задачи в базовую архитектуру ОУ вводится специ-альный корректирующий многополюсник, который обеспечит согласование слабой токовой асимметрии входного дифференциального каскада (ДК). Метод применим для ОУ, в которых нецелесообразно вносить какие-либо корректировки в исходную структуру ДК. 
Получены аналитические выражения, определяющие основные параметры цепей компенсации Uсм, а так же приведены табличные данные, упрощающие выбор типовых функциональных узлов прецизионных ОУ.

Ключевые слова: микроэлектроника, схемотехника, дифференциальный усилитель, операционный усилитель, напряжение смещения нуля, температурный дрейф, влияние радиации на нулевой уровень

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

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.

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:
,    (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 β_p = ∞,
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.

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.

Окончание таблицы №2

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)I_б.n,
,   (3)
где m- коэффициент пропорциональности (m = 1, 2, 3, 4, …), характеризующий статические токи выходов 3 и 4 при β_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.

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, АБМК_1_3/4 и др.)», выполняемой в 20122014гг.

Литература

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 микро- и наноэлектронных систем- 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2010. – С. 295-300
2. Пат. 2390918 Российская Федерация, МПК8 H03F 3/45, H03F 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». – № 2009102889/09; заявл. 29.01.2009; опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15. – 10с.: ил. (157)
3. Пат. 2390916 Российская Федерация, МПК8 H03F 3/45, H03F 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». – № 2009103501/09; заявл. 02.02.2009; опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15. – 10с.: 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 АБМК_1_3 в условиях радиационных и температурных воздействий [Текст] // Проблемы разработки перспективных микро- и 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.2012.6352648
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/978-3-659-34664-4/Архитектура-и-схемотехника-операционных-усилителей . – Яз. рус.