Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методы структурно-параметрического синтеза энергетически напряженных сложных функциональных блоков, систем на кристалле

Манжула В. Г.,

3.2 Входные и согласующие каскады перестраиваемых ОУ.

Входной каскад ОУ определяет следующие основные параметры всего усилителя: входное сопротивление R_вх, входной ток I_вх, разность входных токов ΔI_вх, напряжение смещения U_см, рабочий диапазон синфазных ΔU_сф и дифференциальных ΔU_дф входных сигналов, коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ос.сф. и т.д.. Для перестраиваемых ОУ все эти параметры должны лежать в заданных пределах во всем диапазоне изменения статического режима таких усилителей.

На рис.3-5,а представлена типовая функциональная схема вход­ного и согласующего каскадов перестраиваемого ОУ [133. Она состоит из дифференциального каскада, построенного на основе многополюсников 1 и 2 (VT1,VТ2); многополюсника 3 - цепь активной нагрузки (АН); согласующего каскада - многополюсник 4 (VT5); нагрузки R_н ; управляемых источников тока I_у1 , I_у2 : переключателя режимов ПР, вырабатывающего сигналы управления U_у1 , U_у2. В качестве подсхемы АН используется повторитель тока (рис.3.5,б), при необходимости получения повышенных параметров повторителя рекомендуется использование схемы АН, представленной на рис.3.5,в [89].

Работа данной схемы при неизменном статическом режиме подробно рассмотрена в литературе [71-76]. Рассмотрим влияние изменения задающих токов I_y1 , I_y2 при переключении режимов элементом ПР на основные параметры ОУ. Напряжение смещения такого входного каскада (рис.3.5) определяется следующим выражением:

. (3.9)

В нем первое слагаемое – U_см1 обусловлено неидентичностью многополюсников 1 и 2, второе слагаемое - U_см2 образуется из-за неидентичности элементов активной нагрузки, третье слагаемое - U_см3 является результатом ответвления тока во входную цепь согласующего многополюсника 4. Очевидно, что для получения нулевого значения напряжения смещения необходимо, чтобы один из слагаемых выражения (3.9) компенсировал оставшиеся. Так как варьировать первым и третьим слагаемыми во многих случаях не представляется возможным, то очевидным путем компенсации напряжения U_см является введение регулировки в цепь активной нагрузки. При этом должно выполняться соотношение:

. (3.10)

.

.

Рассмотрим подробнее составляющие напряжения U_см для схемы рис.3-5. Первое слагаемое определяется выражением:

 

. (3.11)

Считая, что a ≈ 1 полагаем I_э ≈ I_к, тогда,

(3.12)

где К_ан==I₂/I₁ - коэффициент передачи активной нагрузки. Полагая

, (3.13)

где h_21э.5 - коэффициент передачи тока многополюсника 5, получаем

. (3.14)

Рассмотрим случай построения перестраиваемых ОУ без регулировки напряжения смещения. Тогда на основании выражений (3.11) – (3.14) получаем выражение для максимального напряжения U_см:

. (3.15)

На основании выражения (3. 15) построен график (рис.3.6) при условии h_21э.5=100 и j_тln(I_s1/I_s2)=2 мВ (что является типичными значениями параметров для транзисторов в интегральном исполнении). Нормированная характеристика (рис.3.6) отражает зависимость относительного коэффициента смещения К_см =U_см./U_см1 от величины отношения задающих токов I_yi/I_y2 и коэффициента K_ан2 (К_ан1=1, K_ан2=1,1, К_ан2 =1,2). Во многих случаях реализации перестраиваемых ОУ целесообразно, чтобы максимальное значение коэффициента К_см не превышало 5. Тогда из рассмотрения графика (рис.3.6) очевидно, что отношение токов I_у1/I_у2 не может быть меньше 0,1 (при К_ан =1). С увеличением коэффициента К_ан это отношение будет увеличиваться. Следует отметить, что принципиально невозможно обеспечить К_см<5, если коэффициент К_ан превышает значение 1,3. Таким образом, при каждом переключении токов I_у1 , I_у2 должны выполняться указанные выше рекомендации.

Рассмотрим случай, когда в перестраиваемом ОУ предусмотрена регулировка напряжения смещения. С учетом выражений (3.10), (3.11), (3-14) и (3.15) получаем:

. (3.16)

Выражение (3.16) удобно представить в виде

. (3.17)

Из соотношения (3.16) на первый взгляд следует, что любые значи­тельные составляющие U_см1 и U_см2 могут быть компенсированы составляющей U_см2 и не нужно особенно заботиться о минимизации составляющей U_см2. Но идти по этому пути - значит получить большой температурный дрейф напряжения смещения. Действительно, температурное изменение тока I_э , как правило, велико (2 раза при изменении температуры на 100°С), что обусловлено увеличением параметра h_21э.5 с ростом температуры. Поэтому даже при использовании в перестраиваемых ОУ регулировки напряжения смещения необходимо стремиться к минимизации составляющей U_см2 (U_см3<<U_см1) и компенсировать технологическую составляющую U_см1 асимметрией токов I₁ и I₂ .

Рассмотрим зависимость слагаемого U_см2 в выражении (3.9) от статического режима входного каскада. Повторитель тока с резисторным смещением (рис.3.5,б) позволяет уменьшить до нуля напряжение U путем подстройки резисторов R1 и R2. Коэффициент передачи такого повторителя определяется выражением:

. (3.18)

На основании выражения (3.18) построен график на рис.3.7, при следующих значениях параметров элементов: R₁ =R₂ =1 кОм, I₁ =I_y1 /2, β>>1, I_s4/I_s3 =0,92. График показывает изменение коэффициента К_ан в зависимости от относительного уровня втекающего тока d=I₁ /I₁(К_ан=1), где I₁(К=1) - величина тока, при которой коэффициент равен единице. Анализируя соотношение (3.18)

и график (рис.3.7) можно сделать вывод, что коэффициент К_ан_ при уменьшении тока I_y1 увеличивается и в пределе достигает значения К_ан =I_s3/I_s4 при I_y1≈0.

Таким образом, работая при низких значениях тока I_y1 активная нагрузка вызывает появление дополнительного напряжения смещения. Для минимизации которого требуется выполнение условия:

. (3.19)

Для компенсации составляющей U_см1 величины резисторов R1 и R2 выбираются неравными (положим R₁ =1,1, R₂, I₃=0). Рассмотрим влияние уменьшения тока I_у1 на эффективность работы компенсационной регулировки. На основании соотношения (3.15) с учетом выражений (3.10), (3.17) и (3.18) построен график на рис.3.8. Он отражает зависимость коэффициента К_см от относительного уровня тока g=I_y1/I_y1 (U_см=0), где I_у1(U_см=0) - величина тока I_у1 при котором U_см =0. Очевидно, что эффективность компенсации при уменьшении тока I_у1 значительно снижается. При I_у1≈0 коэффициент К_см =1+ U_см2 / U_см1 . Из анализа следует, что наибольшее влияние на величину напряжения U_см оказывает значение соотношения токов I_y1/I_y2. При малых абсолютных значениях тока I_y1 снижается эффективность компенсации за счет изменения коэффициента К_ан И в этом случае минимальное значение тока I_y1 не должно опускаться ниже величины, при которой коэффициент К_ан изменяется на 5%. Минимально допустимую величину тока I_y1 можно уменьшить путем увеличения абсолютных значений сопротивлений резисторов R1 и R2.

.

Рассмотрим влияние изменения задающих токов I_y1 и I_y2 на коэффициент усиления входного каскада К_у и входное сопротивление R_вх типовой схемы (рис.3.5,а). Для случая, когда и коэффициент К_y и входное сопротивление определяются выражениями:

, (3.20)

где R_вых._ан, R_вых.дк - выходные сопротивления многополюсников 3 и 2 соответственно; h_21.э - коэффициент передачи тока многополюсниками 1 и 2; г_э =2j_т/ I_y1. Из выражений (3.20) видно, что с ростом величины тока I_y1 входное сопротивление R_вх падает, а коэффициент К_у возрастает. Это повышает общий коэффициент усиления ОУ, что улучшает точностные характеристики устройств, но может привести к снижению запаса устойчивости. Ослабить влияние переключения тока можно путем введения резисторов R_э1, R_э2 (на рис.3.5,а показаны пунктиром). В этом случае:

. (3.21)

При выполнении условия 2r_э<<(R_э1+R_э2) коэффициент К_у и сопротивление R_вх не будет зависеть от переключения тока I_y1, при этом также увеличится диапазон дифференциального входного напряжения. Но в этом случае коэффициент усиления будет ниже, чем в случае отсутствия резисторов и напряжение смещения может возрасти из-за технологического разброса относительных величин сопротивлений.

Входной ток I_вх типовой схемы (рис.3.5,а) определяется следующим выражением:

. (3.22)

Его величина прямопропорциональна величине тока I_у1. Для исключения влияния задающего тока предлагается использовать способ компенсации входного тока. Один из вариантов схемотехнической реализации этого способа представлен на рис.3.9. Данная схема имеет низкий входной ток в широком диапазоне изменения статического режима благодаря компенсации входных токов дифференциального каскада. Если I_вх1 = I_вх.2 = I_вх и I_к1 = I_к2 =I_к то указанная компенсация выполняется при I_к = I_б. При этом необходимо, чтобы I₂ = I₁ /2, тогда:

.

. (3.23)

Повторитель тока на транзисторах VT8-VT10, отражает указанный ток и возвращает его на входы дифференциального каскада, обеспечивая минимальный входной ток. Ошибку из-за ненулевых базовых токов транзисторов VT8-VT10 компенсирует устройство на транзисторах VT12, VT14-VT16. При этом если 1_б8=1_б9=1_б10 =1_б12=1_б0, то I_6ll=I_к0+4I₀ и 1_б16=1_б0. Выбрав коэффициент передачи повторителя тока VT14, VT15 равным 4 получаем полную компенсацию базовых токов. При разбросе параметра h_21э полная компенсация достигается путем подстройки резисторов R1, R2.

Рассмотрим рабочий диапазон синфазного входного напряжения. Для схемы (рис. 3.5, а) он ограничен максимальным (U_{сф.макс}) и минимальным (U_сф.мин) синфазными входными напряжениями , определяемыми из выражений:

, (3.24)

где U₁ – минимальное рабочее напряжение источника тока I_y1. Тогда:

. (3.25)

Очевидно, что диапазон синфазного входных напряжений типового каск­ада низок и уменьшается с ростом тока I_у1 . Для его увеличения используется схемотехнический способ, который иллюстрируется схемой (рис.3.10). Данный способ позволяет функционировать ОУ при уровнях синфазного напряжения близких к напряжению питания и общей шине, за счет использования переключаемых дифференциальных усилителей. Максимальное и минимальное синфазное напряжения данной схемы определяются из выражений:

(3.26)

Из анализа выражений (3.25), (3.26) следует, что в случае, если падение напряжения на резисторах R1-R4 меньше, чем U_бэ , то рабочий диапазон синфазного входного напряжения превышает величину напряжения питания.

Таким образом, рекомендуется организация режима переключения токов I _у1 и I _у2 следующими способами:

1. Ток I _у1 не переключается, но во всем диапазоне переключения тока I _у2 он не должен оказывать существенного влияния на напряжение смещения. В этом случае параметры ОУ определяются параметрами входного каскада и изменяются незначительно при каждом шаге переключения.
2. Значения токов I _у1, I _у2 переключаются одновременно без изменения их соотношения. В этом случае для минимизации напряжения U_см задающий ток дифференциального каскада не должен быть ниже величины, при которой значительно падает эффективность введения регулировки. Соотношение токов I_у1/I_у2 выбирают из условия минимизации составляющей U_см3. При этом также целесообразно вводить в дифференциальный каскад цепи компенсации входного тока. Если требуется получение стабильных коэффициента К_у и сопротивления R_вх всем диапазоне переключения, то целесообразно вводить резисторы в эмиттерные цепи дифференциального каскада.