Вариативный синтез схемы операционного усилителя с пониженным напряжением смещения нуля
Аннотация
В работе рассмотрены варианты синтеза схем операционных усилителей, обладающих эффектом собственной компенсации систематической составляющей напряжения смещения нуля и его дрейфа в условиях температурных и радиационных воздействий. В анализируемом операционном усилителе без значительного увеличения числа элементов существенно повышены статическая точность и коэффициент усиления по напряжению в сравнении с базовой схемой. Результаты компьютерного моделирования подтвердили рассмотренный качественный анализ схемных решений. Предложенные варианты реализации операционных усилителей на основе различных типов преобразователей напряжение-ток позволяют разработчику синтезировать электронные устройства с заданными точностными и динамическими характеристиками с учетом условий эксплуатации.
Ключевые слова: операционный усилитель, синтез, напряжение смещения нуля, моделирование, преобразователь, компенсация
05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
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, АD797, АD8631, АD8632, 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 Canon. 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 β. Это является причиной повышенных значений напряжения смещения нуля ОУ (Uсм).
В настоящей работе рассматриваются варианты синтеза ОУ, обладающих эффектом собственной компенсации систематической составляющей Uсм и его дрейфа в условиях температурных и радиационных воздействий.
а) б)
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 
нулевое значение напряжения смещения нуля ОУ обеспечивается в том случае, если коллекторные токи транзисторов VT5 и VT7 равны друг другу (при нулевом входном токе буферного усилителя (БУ)). Если статические значения 
, то это вызывает необходимость подачи между входами Вх.1 и Вх.2 ОУ напряжения Uсм, которое приведет к равенству 
за счет изменения токов I2 и I3.
Взаимосвязь Iк5 и Iк7 можно установить с учетом следующих токовых соотношений в схеме рис. 1.б, вытекающих из первого закона Кирхгофа:
; 
;
;
;
;
; (1)
;
; 
;
;
,
где 
, 
- коэффициенты усиления по току эмиттера транзисторов VT4 и VT5;
- ток базы транзисторов VT7, VT9, VT11 при одинаковых токах эмиттеров;
- ток базы транзистора VT10 (
<<
).
Из выражений (1) следует, что разность токов в высокоимпедансном узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину составляет
, (2)
где 
.
Так как 
, то
, (3)
где 
- коэффициент передачи по току базы транзистора VT10.
Разность токов 
приводится к входу ОУ через эквивалентную крутизну для дифференциального сигнала
. (4)
При этом напряжение смещения нуля ОУ будет равно
. (5)
Можно показать, что для схемы классического ОУ (рис.1.а)
. (6)
Таким образом, при равенстве значений крутизны 
в предлагаемом ОУ напряжение смещения нуля уменьшается по сравнению с классической схемой в Nc-раз, где
(7)
или после преобразований
. (8)
Если положить, что 
, то выигрыш по величине Uсм составляет
. (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 IP 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» параллельно-балансного каскада (рис. 2.а), классического параллельно-балансного каскада (рис.2.б) и комплементарного дифференциального каскада на n-p-n и p-n-p транзисторах (рис. 2.в). Тип используемого входного узла ПНТ определяется разработчиком IP модуля.
а)
б) в)
Рис. 2 Варианты реализации обобщенной схемы на основе: «перегнутого» параллельно-балансного каскада (а), классического параллельно-балансного каскада (б) и комплементарного дифференциального каскада на n-p-n и p-n-p 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 PSpice 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 Uсм не превысило 0,15мВ, т.е. имеется улучшение Uсм более чем на порядок.
а) б)
Рис. 3 Схема классического ОУ (а) и предлагаемого ОУ (б) в среде компьютерного моделирования PSpice 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 IP 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.
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 (SiP) [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 // Научно-технический 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»