Способ повышения стабильности нуля дифферен циального усилителя с местной отрицательной обратной связью в условиях температурных и радиационных воздействий

базируется на постулировании эффекта самовозбуждения магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы — динамо-эффекта [3].

Динамо-эффект для Земли как космического тела обусловлен несовпадением оси вращения Земли и ее магнитной оси, и его связывают с конвек-тивнымдвижением проводящего вещества ее жидкого ядра и со всплытием в этой среде более легких примесей под действием архимедовой силы. Конвективные движения приподнимают силовые линии тороидального поля, и при определенныхусло-виях они могут образовывать петли, которые потом сливаются с полоидальным полем и усиливают его.

Теория динамо-эффекта приводит также к возможности самообращения магнитной оси (переполюсовке магнитного поля Земли) и долго-периодическим колебаниям ГМП (вековым ва-

риациям), что отражает реальные свойства земного магнитного поля.

Наше мнение заостряет внимание специалистов на том, что биообъекты, адаптированные в течение миллиардов лет ктаким свойствам ГМП, в современных условиях попадают в поле воздействия ЭМИ высоких частот и теряют естественные физиологические свойства как целостного организма, так и его частей. Этим вполне объяснима угнетающая роль ЭМИ ТА при экспериментах [1,3].

Авторы выражают признательность коллегам, студентам, инженерам, внесшим большой вклад в полученные результаты: М.П. Федорову, И.А. Цикину, И.Н. Серову, Д.А. Уставникову, O.E. Богодист, Ю.М. Балагуле, А.Я. Сергееву, В.А. Ефремову, Н.В. Коровкину, В.А. Сороцко-му, Д.И. Иванову, В.А. Тартыжеву, Л.А. Поповой, М.Ю. Александровой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров В.В. Экологическая роль 2. BioEM2009. Davos, Switzerland. Technical электромагнетизма. СПб.: Изд-воПолитехи, ун- program. 2009. June 14—19. 58 p. та. 2006. 716 с. 3. Физический энциклопедический словарь.

М.: Сов. энцикл. 1983. С. 161.

УДК 621.375

H.H. Прокопенко, Д.Н. Конев, А.И. Серебряков

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ НУЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ С МЕСТНОЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ В УСЛОВИЯХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Радиационное и температурное воздействия изменяют напряжение эмиттер — база ¿Х^, обратный ток коллекторного перехода /кб0 и коэффициент усиления по току базы (Р) транзисторов. При этом два последних фактора приводят к нестабильности тока базы.

Для минимизации первой систематической составляющей ¿7см1, обусловленной дрейфом ¿/эб, применяются хорошо известные параллельно-балансные схемы дифференциальных каскадов (ДК), в которых обеспечивается взаимная компенсация нестабильности ¿7эб двух одинако-

вых входных транзисторов ДК. В результате эта составляющая напряжения смещения, например операционных усилителей (ОУ), уменьшается:

Что касается второй составляющей ¿/см2, зависящей от изменений Р транзисторов ОУ, то методы ее минимизации в публикациях по микросхемотехнике не рассматривались. Чтобы получить исм2 ~ 0, необходимы специальные архитектурные решения входного ДКи его выходной подсхемы буферного усилителя (БУ), в которых реализуются эффекты взаимной

компенсации абсолютных значений токов базы и их приращений, обусловленных температурной, радиационной или режимной зависимостью параметров транзисторов.

Анализ современных операционных усилителей с одним выходом показывает, что большинство их схем приводятся к архитектуре рис. 1, я, в которой можно выделить высокоимпедансный узел А, обеспечивающий суммирование выходных токов /3 и 14 обобщенного входного дифференциального каскада и входного тока /БУ выходной подсхемы БУ:

Р'¡ру мвх) =

= 4(РЬ> $тр> 4т> мвх) + 4у(ря> Р/р> 4/)> где 1-ф 1кпг 1^— координаты источников тока, устанавливающих статический режим транзисторов схемы; р/л, рш; р^, р,^, - коэффициенты усиления по току базы р-п—р-и п—р—«-транзисторов, влияющих патоки узлов 3, 4 и входной ток (/БУ) буферного усилителя.

В качестве частного случая рассмотрим дифференциальный усилитель (ДУ) с местной отрицательной обратной связью, которая обеспечивается резистором Л1, включенным между эмиттерами входных транзисторов ДУ (рис. 1, б). Такие ДУ используются в быстродействующих операционных усилителях и характеризуются рас-ширеиным диапазоном линейной работы. Если в статическом режиме (мвх = 0) сумма токов в узле А схемы рис. 1б1р = 4ЫХ.ПТ1 - 4ых2ДК1 - 4у при коротком замыкании узла А на эквипотенциальную общую шину не равна нулю (1р ф 0), то для компенсации статической ошибки ДУ в рабочем режиме необходимо на его дифференциальный вход (Вх. 1, Вх. 2) подавать некоторое напряжение, соответствующее эдс смещения нуля ^см2 ~ гДе -5ду = (/Цзх - Крутизна усиления

входного ДК1 при коротком замыкании узла А на эквипотенциальную шину; 4ыхпи ~~ выходной ток повторителя тока ПТ1; /вых2ДК1 — ток коллектора транзистора УТ1\ /БУ = хр1бр + хп16п — входной ток буферного усилителя.

Таким образом, одним из условий синтеза ДУ с малыми значениями второй систематической составляющей эдс смещения нуля (¿/см2 ~ 0) является такое построение его архитектуры и основных подсхем ДК1, ПТ1, БУ (рис. 1, (5), при которых во всем диапазоне внешних воздействий (температура, радиация), а также режимных изменений параметров транзисторов и их статичес-

ких токов при вариациях напряжений питания будет обеспечиваться равенство 4ыхпи = = 4ых2ДК1 + 4у- Минимизация систематической составляющей 1/см2 — это "зона ответственности" схемотехников, разрабатывающих аналоговую микросхему.

В зависимости от знака входного тока БУ (4У), а также свойств конкретной базовой архитектуры ДУ, которую необходимо модернизировать для уменьшения ¿/см2, обусловленной влиянием р транзисторов, возможен синтез различных схем ДУ, обладающих высокой стабильностью нулевого уровня.

Найдем ограничения на уровни токов смещения 4М / относительно идеальных проходных характеристик входного каскада (ДК1) и токового зеркала (ПТ1) при произвольных значениях и знаке входного тока БУ (/БУ), полагая, что эти смещения обусловлены влиянием деградирующих под действием радиации токов базы р-п—р-и «-^—«-транзисторов (рис. 2).

В зависимости от схемотехники функциональных узлов ДК1, ПТ1, БУ их смещения нуля могут быть как положительными, так и отрицательными. Поэтому коэффициенты кь х^ характеризующие 4м I- принимают как положительные, так и отрицательные значения. За счет выбора свойств на постоянном токе подсхем ДК1, ПТ1 и БУ можно обеспечить малое результирующее смещение нуля 1/ш2 в архитектуре ДУ рис. 1, б и его температурный и радиационный дрейф.

Будем считать, что каждая из подсхем ДК1, ПТ1, БУ (см. рис. 1, 6) отличается от идеальной и имеет токовые координаты, смещенные относительно "идеального" уровня на величины:

4мЗ = р + ^«з4 п-

4м4 = ^рА^бр + 4^4 «<

4мпл = ^рЛр+ ^4«; О)

4у = *„4 и + хрк р-

где Х1~~ масштабные коэффициенты при токах базы /б/(, /б , характеризующие смещение нулевых уровней подсхем ДК1, ПТ1 иБУ.

Поэтому для узла А рис. 1, б

4 + + ^яз4я + ^р\Ьр + ^пхЬп + хпЬп =

= хр4 р+ 4 + ^¡аЬ р+ ^/44 /I )

Последнее уравнение можно представить в виде

Рис. 1. Архитектура ДУ с малым 1/с

Рис. 2. Возможные варианты смещения характеристик подсхем ДК1 (а, б); ПТ1 (в); БУ(г), зависящие от численных значений и знаков масштабных коэффициентов кь х{

4 я

Таким образом, для минимизации составляющей 1/ш2 необходимо синтезировать подсхемы ДК1, ПТ1, БУ, масштабные коэффициенты которых кь 4,-, х,- при известных значениях токов базы 16р и /б/|, применяемых п-р—п-и р-п—р-транзисторов удовлетворяют условию (6). При этом целесообразно обеспечить:

^яЗ + 4я1 + хп = ^я4> ^/>3 + 4= хр +

Нарис. 3 приведен пример синтеза ДК1 со слабой токовой асимметрией. Здесь буферный усилитель реализован в виде эмиттерного повторите-

ля на п—р—«-транзисторе, следовательно, х„ = 0. Токовое зеркало ПТ1 (например, схема Вильсона) не имеет смещения нуля проходной характеристики (4р1 = 4я1 = 0). Статические токи двухполюсников 1Х = 12 = /0.

Таким образом, коэффициенты к^ 4,-, х;- для подсхем ДК1, ПТ1, БУДУ рис. 3 имеют следующие значения:

крЪ = (2К,-2)ЛрА = 2,хп = $\

"р4 '

4 4 4 4 4 4

2К, = хр,

о +

4ых1 дк! ~~ 4 + О-К, - р 1

Рис. 3. Схема ДУ с дополнительной цепью терморадиационной компенсации |4]

где КI — коэффициент передачи усилителя тока

УТ1. При этом если К- = 1, то хр =

2.

На рис. 4 показаны схемы классического ДУ (рис. 4, я), а также ДУ, удовлетворяющего условиям (8) — (10) (рис. 4, (5), в среде компьютерного моделирования РБрюе на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар".

На рис. 5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем (рис. 4). Из графиков рис. 5 следует, что в широком диапазоне температур напряжение смещения нуля в схеме рис. 4, (эболее чем на порядок меньше, чем в классическом ДУ рис. 4, а.

Рис. 4. Схемы классического ДУ (а) и ДУ с компенсацией ¿/см, (б) в среде РБрюе

• иси, мВ / 2,35 мВ /

-81,1 мкв/ -76,5 мкв /

-4,06 мВ

-5,27 мВ

-1-1-1-1- -1-1-г>

-40

-20

0

20

40

60

80 т, °С

Рис. 5. Температурная зависимость Цсы сравниваемых ДУ Классическое решение ДУ

Приведенные в [1—4] примеры иллюстрируют методику синтеза ОУ с архитектурой рис. 1, б.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

Для минимизации систематической составляющей напряжения смещения нуля операционного усилителя масштабные коэффициенты А:/|3, 44

функциональных узлов следует выбирать в соответствии с равенством (7). Это позволит за счет введения слабой токовой ассиметрии уменьшить на один-два порядка статическую погрешность

ОУ, обусловленную конечной величиной р транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью.

В связи с большим многообразием вариантов построения трех функциональных узлов операционного усилителя (ДК1, ПТ1, БУ), одновременно удовлетворяющих условиям (7), можно синтезировать более тысячи практических схем с малым напряжением смещением нуля.

Статья подготовлена в рамках госконтракта П507 ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 годы".

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каскодный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля [Тексту заявка на патент РФ, МПК8 Н 03 F 3/45, Н 03 F 3/34 / Прокопенко H.H., Серебряков А.И., Будяков П.С. № 2009119092/09; заявл. 20.05.2009 (186(B)).

2. Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля |TckctJ: заявка на патент РФ, МПК8 Н 03 F 3/45, 3/34 / Прокопенко H.H., Серебряков А.И., Будяков П.С. №

3. Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля |TckctJ: заявка на патент РФ, МПК8 H 03 F 3/45, 3/34 / Прокопенко H.H., Будяков П.С., Серебряков А.И. № 2009119952/09; заявл. 26.05.2009 (194).

4. Дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля [Тексту заявка на патент РФ, МПК8 H 03 F 3/45, 3/34/ Прокопенко H.H.,

№

заявл. 28.05.2009 (188).

УДК621.39:574.5

В.В. Александров, Б.В. Александров

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА СПЕКТРА ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕЛЕФОННЫХ АППАРАТОВ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Посвящается памяти профессора кафедры теоретических основ электротехники СПбГПУ докт. техн. наук И.Ф. Кузнецова

Современные проблемы безопасности жизнедеятельности в значительной степени обусловлены неионизирующим электромагнитным излучением (ЭМИ) систем сотовой радиосвязи. Крупные капиталовложения в проведение научных фундаментальных и прикладных исследований до сих пор не дают однозначных ответов для оценки опасности или безопасности повсеместного применения сотовой связи. Достижения последних трех—пяти лет показывают, что

медицинские аспекты проблемы крайне обострены и далеки от разрешения [1,2].

Лаборатория электрофизики естественных экосистем Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в течение десяти лет проводила экологическую оценку действия ЭМИ различных источников на магнитное поле среды обитания вблизи телефонных аппаратов (ТА) сотовой связи. Потребитель, как правило, используя ТА, близко подносит его к