УДК 621. 375. 132. 9
СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
THE WAY TO IMPROVE OPERATIONAL AMPLIFIERS METROLOGICAL
CHARACTERISTICS
Вахненко Максим Сергеевич
аспирант
E-mail: Vahnenko@pulsarnpp.ru
Комлева Варвара Александровна
практикант
E-mail: Komleva@pulsarnpp.ru
Лебедев Анатолий Алексеевич
канд. техн. наук, доцент E-mail: Lebedev741@mail.ru
Яковлева Нина Максимовна
магистрант
E-mail: Return.me.my.ship@gmail.com
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
Аннотация: Рассмотрен схемотехнический способ улучшения точностных и частотных характеристик операционного усилителя с непосредственными связями путем введения дополнительного входного дифференциального каскада. Приведены результаты моделирования воздействия радиации на характеристики модифицированного усилителя.
Ключевые слова: дифференциальный каскад, операционный усилитель, коэффициент ослабления синфазного сигнала, одиночный переходный процесс.
Vakhneko Maksim S.
Postgraduate
E-mail: Vahnenko@pulsarnpp.ru
Komleva Varvara A.
Intern
E-mail: Komleva@pulsarnpp.ru
Lebedev Anatoly A.
Ph. D. (Technical), Associate Professor E-mail: Lebedev741@mail.ru
Yakovleva Nina M.
Master Student
E-mail: Return.me.my.ship@gmail.com
National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
Abstract: In this paper we consider schematic methods improving the accuracy and speed characteristics of the LM124 class operational amplifier by parallel connection of two differential input stages and feeding on their inputs common negative feedback. A method for modeling the impact of radiation on the characteristics of the op amp is proposed.
Keywords: differential stage, operational amplifier, negative feedback, common-mode rejection ratio, single event transient.
ВВЕДЕНИЕ
В современных измерительных приборах и системах для усиления сигналов с датчиков широко применяются интегральные микросхемы (ИМС) операционных усилителей (ОУ) средней точности с внутренней частотной коррекцией, изготовленные по стандартной пла-нарной эпитаксиальной технологии. Подобные усилители (ЬМ124, ЬМ358) обычно имеют входные токи 1см = 30...50 нА, смещение нуля
дивх = 2...4 мВ, собственное потребление тока /поХр = 500...700 мкА и могут работать в диапазоне входных напряжений ивх от отрицательного до положительного напряжения питания Еп (или от 0 до 2Еп). Частота единичного усиления для них редко превышает 1 МГц. Применение горизонтальных р-и-р-тран-зисторов во входном каскаде позволяют обеспечить, допустимый диапазон входных сигналов до 36 В. Улучшение параметров таких ОУ
схемотехническими методами [1] представляет собой актуальную задачу. Не менее важно исследовать влияние на ОУ данного класса ионизирующих излучений.
ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
Улучшить параметры ОУ указанного класса можно путем введения двух работающих на общую нагрузку дифференциальных каскадов (ДК) с подачей отрицательной об-
ратной связи на их параллельно включенные входы (рис. 1). Такими входами служат базы транзисторов 05, 06 и 02. На базу транзистора 08 подается входной сигнал, в этом случае ОУ служит неинвертирую -щим усилителем.
Моделирование входного ДК по методу Монте-Карло при разбросе параметров транзисторов — коэффициента передачи и сопротивления эмиттера подтвердило значительное улучшение коэффициента ослабления синфазного сигнала КОСС (или уменьшение динамического смещения нуля) почти на порядок в сравнении с ОУ из ИМС ЬМ124 (рис. 2). Минимальное значение КОСС составило 80 дБ, максимальное — 114 дБ (у ОУ ЬМ124 70 и 90 дБ соответственно).
Важным преимуществом данного усилителя является расширенный до 5 МГц частотный диапазон. Снижен также ток потребления благодаря уменьшению режимных токов второго усилительного каскада 011, 014.
Одной из важных проблем является работа ОУ в условиях радиации, когда из-за деградации коэффициента передачи по току р транзисторов увеличиваются входные токи, а также сдвиги статического и динамического напряжения на выходе. В работе [2] было экспериментально показано, что пара-
в, отн. ед. 120
100
80
60
40
20
2Е-13 4Е-13 6Е-13
8Е-13 1Е-12
0
'зе, А
Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи от изменения Рис. 4. Зависимость напряжения смещения от деградации р
Датчики и Системы • № 1.2015 _ 51
Рис. 5. Зависимость коэффициента усиления разработанного ОУ от частоты входного сигнала
метр Ise модели Гуммеля-Пуна меняется линейно в зависимости от дозы, набранной типичным дискретным биполярным транзистором.
На основании этого было проведено моделирование р в зависимости от параметра Ise (рис. 3).
Было также показано, что использование этой модели позволяет установить связь между радиационным приращением входных токов операционного усилителя, которое зависит от параметра Ise, и напряжением смещения нуля [2]. На рис. 4 приведен полученный с учетом такой связи график зависимости напряжения смещения нуля разработанного ОУ от деградации р.
Также было проведено моделирование коэффициента усиления (КУ) ОУ при разомкнутой обратной связи для различных значений Ise, и в результате получено семейство зависимостей КУ разработанного ОУ от частоты входного сигнала при деградации р от изменения Ise (рис. 5).
Предложенная структура входного ДК позволяет не только расширить частотный диапазон при обеспечении стабильности работы усилителя, но и ослабить при этом реакцию воздействия тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) на переходные характеристики ОУ. На рис. 6, 7 показаны зависимости амплитуды А сигнала на выходе ОУ (ивых) от времени при попадании ТЗЧ в момент подачи прямоугольного импульса UBX на вход типового (рис. 6) и предлагаемого (рис. 7) ОУ. Время восстановления работоспособности после попадания ТЗЧ составляет 1 мкс для ОУ с улучшенным ДК (4 мкс для LM124), а амплитуда реакции уменьшилась в 2—3 раза.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенная структура ОУ с двумя входными ДК позволила улучшить ряд важных параметров, таких как уменьшение входных и режимных токов, повышение КОСС, расширение частотного диапазона, уменьшение влияние ТЗЧ на переходные характеристики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лебедев А. А, Бакеренков А. С, Диденко В. И, Горбунов М. С. Повышение радиационной стойкости операционного усилителя класса LM124 схемотехническими методами // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — С. 44—49.
2. Bakerenkov, A. S., Pershenkov, V. S., Solomatin, A. V. et al. Radiation degradation modeling of bipolar operational amplifier input offset voltage in LTSpice IV // Applied Mechanics and Materials. — № 565. — Р. 138—141.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.