Компенсация напряжения смещения нуля операционных усилителей с несимметричным включением активной нагрузки

выборки определяет ее реальную производительность.

Полученные результаты позволяют сделать ряд важных выводов для развития современных микроэлектронных средств систем управления и технической диагностики:

повышение точности преобразования измеряемых величин достигается за счет суммирования е(р) и Еоп, что требует применение в ОЗУ МК реверсивного счетчика;

возможность параллельного многоканального ввода в область оперативной памяти позволяет повысить как быстродействие СнК в целом, так и ее производительность;

указанные свойства структуры АЦП не требуют остановки работы МК на интервале пре-

СПИСОКЛ

1. Крутчинский, С.Г. Смешанные системы на кристалле для систем автоматического управления и технической диагностики: сб. трудов [Текст] / С.Г Крутчинский. -МЭС-2006.-С. 217-222.

2. Крутчинский, С.Г. Аналого-цифровые интерфейсы микроконтроллерных адаптивных регуляторов циклического типа для объектов электроэнергетики [Текст]/С.Г. Крутчинский//Изв. РАН. Сер. Автоматика и телемеханика. -2006. -№ 5. -С. 163-174.

образования и применения в структуре аналогового интерфейса прецизионных ограничителей спектра.

Кроме этого, рассмотренная структура позволяет минимизировать воздействие широкополосного шума на точность преобразования. Так, при п = 16 и воздействии помехи с минимальной частотой 2 кГц и амплитудой менее 4 мВ погрешность преобразования не превышает свое методическое значение (2?и). Детальное исследование показывает, что в случае использования АБМК также существует возможность увеличения разрядной сетки АЦП до 20 при минимальной допустимой длительности тактовых импульсов (? ) 10 нс.

Статья подготовлена в рамках госконтракта № П507 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)».

3. Крутчинский, С.Г. Аналого-цифровые интерфейсы смешанных систем на кристалле [Текст]/С.Г. Крутчинский, Р.Г. Баранов//Изв. ЮФУ -2008. -С. 163-174.

4. Крутчинский, С.Г. Мультидифференциальные операционные усилители и прецизионная микросхемотехника [Текст] / С.Г Крутчинский, Е.И. Старченко // Электроника и связь. -2004.-№ 20.-С. 37-45.

5. Каталог разработок Российско-Белорусского центра аналоговой микросхемотехники[Текст]/Под ред. С.Г Крутчинского. -Шахты, 2006.-87 с.

УДК 621.37

Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков, В.Г. Манжула

КОМПЕНСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С НЕСИММЕТРИЧНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ

Дифференциальные операционные усилители (ОУ) с активной нагрузкой, обеспечивающей непосредственное управление двухтактным буферным усилителем [1] имеют одноканальную структуру передачи сигнала по цепи общей отрицательной обратной связи [2] и характеризуются меньшими фазовыми искажениями сигнала, более высокими показателями, характеризующими устойчивость ОУ [3].

Существенный недостаток ОУ данного под-

класса состоит в том, что они имеют повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (и ), связанной с несимметрией его архитектуры. Цель настоящей статьи - исследование возможностей предлагаемой архитектуры операционного усилителя [4], в которой создаются специальные условия для взаимной компенсации влияния абсолютных значений токов базы дополнительных транзисторов, а также их температурных и радиационных изменений

на систематическую составляющую напряжения смещения нуля (и ).

На рис. 1 представлена схема несимметричного ОУ с малым исМ [4]. Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля и , т. е. зависящие от схемотехники ОУ.

Если ток источника тока / равен величине 2/0, а / и / - величине /о, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов схемы:

/3 = 2/ + 2/ , /3 = 2/0, Л = /2 = /0 - /б ,

э3 0 б.р к3 0' к1 к2 0 б.р'

/7 = /8 = /0, /7 = /8 = /0 - /б,/4 = /0 - 2/б = /5,

э7 э8 0' к7 к8 0 б.р к4 0 б.р к5' 4 '

Поэтому разность токов в узле «А» при его замыкании на некоторый эквивалентный источник напряжения ¿А, равный статическому напряжению и а в схеме ОУ с обратной связью (рис. 1) соответствует:

/ = / , - /б6 - /4= 0,

р вых.пт1 б.6 к4 '

где /бб = /бр - ток базы транзистора УТ6.

Как следствие, это уменьшает и , т. к. разностный ток /р в узле «А» создает исм, зависящее от крутизны (5) преобразования входного дифференциального напряжения и в выходной ток узла «А»:

/ , = / , = /0 - /б ,

вх.пт1 Б^1х.пт1 0 б.р'

5=*- =

и„„

Гэ1 + гз2

где /б . = /э . /р.. - ток базы п-р-п транзисторов при эмиттерном токе / = /п; / , = / , - входной

г э.1 0' вх.пт1 вых.пт1

и выходной токи повторителя тока ПТ1 (так называемого «токового зеркала»); р. - коэффициент усиления по току базы транзисторов схемы при

/э, = /0.

где г= Гэ2 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов УТ1 и УТ2 входного дифференциального каскада ДК1. Поэтому

иш~1р(гэ1 + гэ2) = /.

2ф,

«0.

V 'о ;

где фт = 26 мВ - температурный потенциал.

Рис. 1. Архитектура ОУ с малым напряжением смещения нуля

Физически это означает, что абсолютные значения токов базы транзисторов, приведенные к высокоимпедансному узлу «А», а также их приращения, которые в интегральной микросхеме при одинаковых токах эмиттера достаточно идентичны, взаимно компенсируются.

Таким образом, в предлагаемом ОУ при выполнении условия (4) уменьшается систематическая составляющая исм, обусловленная конечной величиной в транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью.

В классическом ОУ [1] разностный ток 1р Ф 0, поэтому здесь систематическая составляющая исм получается как минимум на порядок больше, чем в предлагаемой схеме.

На рис. 2 показана модифицированная схема ОУ, в которую введен дополнительный транзистор VT9. Это обеспечивает температурную и

радиационную компенсацию дрейфа токов через р-п переходы VD2, VD3, VD9, VD4, VD7 на подложку транзисторов VT4, VT7 и VT2, VT3, VT9.

В схеме на рис. 1 температурные и радиационные изменения токов через изолирующие р-п переходы транзисторов VT2 и VT4 на подложку компенсируют друг друга в высокоимпедансном узле «А» благодаря токовому зеркалу ПТ1. В то же время приращения аналогичных токов на подложку транзисторов VT3 и VT7 приводятся к узлу «А» с неодинаковыми коэффициентами передачи. Это связано с делением тока р-п перехода на подложку транзистора VT3 между эмиттерами транзисторов УТ1 и VT2. Введение VT9 (рис. 2) создает условия, при которых все токи р-п переходов на подложку (УБ3, VD2, VD9, VD4, VD7) компенсируют друг друга в узле «А», что повы-

Рис. 2. Операционный усилитель с цепью терморадиационной компенсации токов р-п переходов на подложку транзисторов УТ4, УТ7 и УТ2, УТ3, УТ9

а)

б)

Рис. 3. Схемы классического (а) (и = 2202 мкВ) и предлагаемого (б) (исм= 281 мкВ) ОУ в среде компьютерного моделирования PSpice

шает общую стабильность исм при высоких температурах (более 70°), а также при радиационном воздействии.

На рис. 3 показаны схемы классического и предлагаемого ОУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» при идентичных токах двухполюсников /1 = / = /3 = / = 1 мА.

На рис. 4 приведены результаты компьютер-

ного моделирования исм сравниваемых схем, которые подтверждают теоретические выводы.

Несмотря на существенное уменьшение в транзисторов вследствие радиационных воздействий, предлагаемый ОУ и в этих условиях имеет меньшее напряжение смещения нуля, чем классический ОУ.

Таким образом, рассмотренный способ компенсации систематической составляющей и

Рис. 4. Температурные зависимости сравниваемых схем ОУ

обеспечивает существенное снижение статической ошибки усиления сигналов постоянного тока ОУ и может использоваться в схемах различных 1Р-модулей современных систем на кристалле.

Статья подготовлена в рамках госконтракта П507 от 05.08.2009 г. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент US 4.415.868, fig.3. Current U.S. Class: 330/294 ; 330/107 One and one half pole audio power amplifier frequency compensation / Gross; William H.: Assignee National Semiconductor Corporation (Santa Clara, CA). -Nov. 15, 1983.

2. Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография [Текст] / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.

3. Полонников, Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника: монография [Текст] / Д.Е.Полонников. -М., 1983.-216 с.

4. Дифференциальный операционный усилитель: заявка на патент РФ, МПК8 Н 03 F 3/45, 3/34 [Текст] / Н.Н. Прокопенко, Д.С. Федяшов, А.И. Серебряков. -№ 2009133746/09; заявл. 08.09.2009 (242).

УДК 621.372

С.Г. Крутчинский, А.Е. Титов

МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫИ ОПЕРАЦИОННЫМ УСИЛИТЕЛЬ В РЕЖИМЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Создание аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов смешанных систем на кристалле (СнК), ориентированных на взаимодействие с чувствительными элементами мостового типа всегда предполагает применение инструментальных усилителей (ИУ), выполняющих функции подавления синфазного сигнала и усиление дифференциального напряжения. Как правило, такой ИУ реализуется на базе классической схемы, состоящей из трех операционных усилителей и семи прецизионных резисторов. Поэтому даже при использовании строго идентичных операционных усилителей (ОУ) предельное значение коэффициента ослабления синфазного сигнала определяется точностью реализации резистивных элементов. Так, для прецизионных технологий (0К = 0,01 % дБ) Коссн = -54 дБ, что явно недостаточно для построения даже непрецизионных датчиков. При производстве соответствующих сложно-функциональных (СФ) блоков СнК в вариантах система в корпусе ^Р) и система на подложке ^оР) применяется специальная функциональная настройка, направленная на достижение требуе-

мых качественных показателей (К = -54 дБ).

оссн

Кроме того, потребляемая мощность таких ИУ достаточно велика, что препятствует использованию в этих системах.

В связи с этим поиск альтернативных вариантов решения аналогичной задачи для смешанных СнК в любом из вариантов их технологической реализации приобретает важное практическое значение.

Для решения данной проблемы с помощью эффективных схемотехнических решений, основанных на введении дополнительных функциональных обратных связей, направленных на минимизацию Ксн [1], создан относительно новый класс активных элементов - мультидифференци-альных ОУ (МОУ), - которые и могут стать основой схемотехники таких ИУ. Следует отметить, что коэффициент ослабления синфазного сигнала разработанных МОУ практически не зависит от точности реализации резистивных элементов.

Структура и условное обозначение МОУ показаны на рис. 1. Этот активный элемент состоит из двух дифференциальных (ДК), одного проме-