Вариативный синтез схемы операционного усилителя с пониженным напряжением смещения нуля

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В современной аналоговой микроэлектронике широкое применение получили операционные усилители (ОУ) на основе, так называемых, «перегнутых каскодов», 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), описанная в патенте США № 6.144.234 фирмы Canon. 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 в. 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.

Рис. 1. Классический ОУ на основе «перегнутого» каскада

В предлагаемой обобщенной схеме ОУ 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, 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):

(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)

Показано, что существуют различные варианты реализации базовых функциональных узлов ОУ с архитектурой, представленной на рис. 1. Предложенная в работе функциональная модель и рассмотренный в работе алгоритм синтеза схемотехнических решений IP модулей СФ-блоков позволил реализовать ряд модификаций обобщенной схемы (рис. 1).

На рис. 2 представлены варианты построения ОУ (рис. 1), в которых входной преобразователь напряжение-ток (ПНТ) реализован на основе: «перегнутого» параллельно-балансного каскада (рис. 2а), классического параллельно-балансного каскада (рис. 2б) и комплементарного дифференциального каскада на n-p-n и p-n-p транзисторах (рис. 2в). Тип используемого входного узла ПНТ определяется разработчиком IP модуля.

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. 3а) и предлагаемого ОУ с аналогичным схемотехническим решением элемента ПНТ (рис. 3б) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Моделирование ОУ показало, что напряжение смещения нуля ОУ (рис. 3а) составляет 1,8 мВ, тогда как у предлагаемого ОУ (рис. 3б) значение Uсм не превысило 0,15мВ, т.е. имеется улучшение Uсм более чем на порядок.

Рис. 3. Схема классического ОУ (а) и предлагаемого ОУ (б) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар»

транзистор высокоимпедансный частотный усилитель

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.

Размещено на Allbest.ru