Главная » Мануалы

1 ... 5 6 7 8 9 10 11 ... 51

Vp-Vos = Vp л/ у^.

f dss

Зависимость дрейфа напряжения исток - затвор от отношения величины тока стока к Idss выразится из двух предыдущих выражений в виде

= -2,2 мВГС + 3,5 lO-Vp л/ . (2.

г dss

Подставляя значение Idz из (2.15) в (2.18), имеем

- = -2,2 мВ/°С

\ г dz /

(2.19)

Данное соотношение характеризует дрейф как функцию отличия рабочей точки от смещения, соответствующего режиму с

В соответствии с этим соотношением производится отбор полевых транзисторов по параметрам Vp и Idss для минимизации дрейфа. Оценим усиление, достигаемое в таком режиме. Для этого подставим значение Vgsz из выражения (2.14) в (2.11). Тогда

gfsz = - = 600 2000 мкСм. . (2.16)

Обычно gfsz намного меньше, чем максимальная возможная крутизна, соответствующая нулевому напряжению исток - затвор и равная

Если величина порогового напряжения отличается от 0,63 В, то Vgsz фО и gfsz будет меньше максимальной крутизны.

Сопоставляя. общее выражение для стокового тока и величины Idz или Vgsz, определяемые по формуле (2.12), можно выразить дрейф через параметры полевого транзистора. Подстановка величин тока стока из выражения (2.10) и крутизны из (2.11) в уравнение дрейфа позволяет выразить дрейф через пороговое напряжение и напряжение исток - затвор. Имеем

- = -2,2 мВГС+ 3,5-Ю-(Vp-Vos). (2-17)

Переписываем уравнение для тока стока таким образом, чтобы выделить последний.член в выражении (2.17), и получаем

нулевым температурным коэффициентом. На фиг. 2.5 показана зависимость дрейфа от отклонения стокового тока от уровня Idz. Заметим, что десятипроцентное отклонение приводит к дрейфу на- . пряжения исток - затвор в 100 мкВГС. Подобным же образом дрейф напряжения , исток - затвор может быть выражен как функция отличия Vgs от его уровня, соответствующего нулевому дрейфу. Используя выражения (2.14) и (2.17), получаем

~ = 3,5-10-Х

Фиг. 2.5. Температурный дрейф напряжения исток - затвор полевого транзистора, работающего в режиме, близком к точке с нулевым дрейфом.

= -2,2 мВ(1-]/7).

напряжений исток - затвор, будет в (2.17) равен

X{Vasz-yas)- (2-20)

Рассмотрение четырех приведенных выще соот-

ношении для позво-

ляет выразить дрейф напряжения смещения дифференциального каскада через основные характеристики полевого транзистора и параметры нулевого дрейфа. Дрейф напряжения смещения, являясь разностью температурных коэффициентов соответствии с уравнением

где

..AVp=Vp,~V

3,5-lO-AVp-Fos). P2 A Vqs = Vosi - es2-

(2.21)

= 3,5 . 10- IVp, л[ Jm-Vp.J

. \ \ dssi г dss2 /

os -

(2.22)

В то время как дрейф напряжения смещения прямо пропорционален рассогласованиям величин Vp и Vgs, он связан с уровнями /dss и Id пропорционально разности квадратных корней. Используем уравнение (2.19), чтобы выразить дрейф через степень согласования параметров Idz- Получаем

-2,2 мВГс1л/---л/-!)- (2-23)

Однопроцентное рассогласование по Idz приводит к дрейфу напряжения смещения примерно на 11 мкВ/°С. Дрейф можно также представить как функцию напряжений исток - затвор в рабочих точках с нулевым температурным коэффициентом. Из, уравнения (2.20) следует

qsz ~ qsz\ qsz2-

Для достижения минимального дрейфа напряжения смещения дифференциального каскада на полевых транзисторах следует использовать их в режиме тока стока, близком к Idz- Па- раметры транзисторов должны быть согласованы. Минимизация дрейфа напряжений исток - затвор отдельных полевых транзисторов достигается выбором тока стока, равного средней величине Idz для данного типа транзисторов. Получаемые в этом случае малые величины дрейфа Vgs значительно ближе друг к другу, чем большие величины дрейфа транзисторов, используемых в режиме, отличном от рабочей точки с нулевым температурным- коэффициентом. Минимальные разности величин дрейфа напряжений исток - затвор или, что то же самое, меньшие величины дрейфа по напряжению, приведенного к входу, получаются в каскадах, работающих при токах, очень близких k,/dz-Анализ уравнения дрейфа (2.22) показывает, что дрейф напряжения смещения в каскаде со сбалансированными токами стока

Как видно, дрейф непосредственно связан с рассогласованием пороговых напряжений и напряжений исток - затвор. Каждый милливольт разности Vgs или Vp при данном уровне тока приводит к дрейфу напряжения смещения в 3,5 мкВ/°С, что сопоставимо с величиной 3,3 мкВ/° С, выведенной для биполярных транзисторов при подобных же условиях. Зависимость дифференциального дрейфа от рассогласования параметров Idss и токов стока можно получить при помощи уравнения (2.18). Имеем

к

1т

1,04

1.03

1,02

1,01

.мкд/Г

Фиг. 2.6. Зависимость дрейфа напряжения смещения дифференциального, каскада,на полевых транзисторах от величины разбаланса токов.

()=-(2.2мВ.С)(£1м.) р„

-.21

приводится к нулю согласованием величин Idss и пороговых напряжений. При этих условиях равные напряжения исток - затвор, определяемые уравнением (2.10), и токи Idz, описываемые уравнением (2.15), будут одинаковы. Однако различия, не рассматривавшиеся при выводе основных приведенных здесь соотношений, также вносят свой вклад в неидентичность температурных коэффициентов напряжений исток - затвор. В результате возникает предел снижения дрейфа напряжения смещения

-2,2 МВ/°С V-Zj

Vdi V. (2.25)

При помощи этого уравнения на фиг. 2.6 построен график зависимости дрейфа от отношения стоковых токов. Сравнение этого графика с аналогичным для каскадов на биполярных транзисторах (фиг. 2.2) показывает, что чувствительность дрейфа к разбалансу токов для дифференциального каскада на полевых транзисторах более чем на порядок превышает соответствующую величину для биполярных транзисторов. Однопроцентный разбаланс стоковых токов вызывает дрейф в 11 мкВ/°С, в то время как коллекторные токи пришлось бы разбалансиро-вать на 14% для получения такого же дрейфа. В результате несбалансированная по току нагрузка на выходах будет более серьезной проблемой для каскада на полевых транзисторах. Поскольку необходимая величина токового разбаланса для компенсации дрейфа обычно не превышает 57о, можно упростить уравнение компенсации. В случае полевого транзистора, работающего в режиме, близком к рабочей точке нулевого дрейфа справедливо равенство

Обозначив получим

di + d2 - 2dz

£)1-dz 1--9~ D2 - dz 2

Подстановка этих членов в уравнение компенсации (2.25) дает

Id dzI

при увеличении точности температурного согласования, и часто требуется согласование при нескольких температурах. Типичная получаемая величина дрейфа напряжения смещения составляет около 30 мкВ/°С, что почти на порядок хуже, чем в случае биполярных транзисторов.

Для снижения дрейфа в дифференциальных каскадах на, полевых, транзисторах используется метод разбалансировки стоковых токов, который обеспечивает компенсацию дрейфа транзисторов и прочих схемных разбалансов. Дрейфовое уравнение (2.23), переписанное так, чтобы рассматривать только разбаланс стоковых токов, дает следующее выражение компенсации дрейфа:

Малая величина разности Д/d <С /щ ~ Idz позволяет использовать приближенную формулу

Тогда при соблюдении условий A/d <С Idz и /ы ~ Im справедливо выражение

(2.26)

Преобразуем это соотношение, полагая, что Д/с <С Id2 и Idz ~ Id2, к виду

- (т).--1.1 ВЛс(-.). (2.27)

Данное выражение является аппроксимацией, зависимости дрейфа от од-ношения токов и представлено в виде графика на фиг. 2.6.

Балансировка токов стоков для компенсации дрейфа напряжения смещения может производиться переменным резистором в цепи стока, как показано на фиг. 2.7. Аналогично случаю регулировки каскада на биполярных транзисторах изменение резистора в цепи стока влияет одновременно на напряжение смещения и его дрейф, в то время как регулировка потенциомет-

1/ + с>-

т

-АЛАА-

О

Фиг. 2.7. Дифференциальный каскад на полевых транзисторах с регулировкой напряжения смещения (потенциометр Ri) и дрейфа (переменный резистор Rv\).

ром R\ в цепи истоков изменяет только смещение. При подаче напряжения смещения на входы выходной сигнал по постоянному току равен нулю вследствие равных падений напряжений на резисторах в цепях стоков, т. е.

Изменение'соотношения величин резисторов в цепях стоков позволяет, таким образом, изменять соотношение стоковых токов. Учитывая это обстоятельство в выражении (2.27), запишем новое уравнение компенсации в виде

(-L=- /°(- О

Id\ Jd2 Idz-

Разбаланс токов приводит к увеличению смещения; последнее сводится к нулю разбалансом стоковых резисторов. В результате полная величина напряжения смещения равна

Vos = lOS. - OS2 + I si [RsI + - S2 [Rs2 + ,

где Vqsi и Vgs2 соответствует равным токам. Из-за высокой , чувствительности дрейфа напряжения смещения дифференциального каскада на полевых транзисторах к разбалансу стоковых токов регулировка смещения резистором в цепи стока является неудачным решением.

2.3. Входные токи, разностный ток и дрейф по току

Входные токи, дифференциального каскада обусловлены ба-. зовыми .токами смещения биполярных транзисторов или токами утечки затвора полевых транзисторов. В усилителях с непосредственными связями при отсутствии дополнительных компенсирующих цепей смещения эти токи целиком протекают через 1сточник сигнала. Дополнительные цепи могут обеспечивать Токи, близкие по величине к входным. Однако базовый, или затворный, ток является функцией только параметров прибора и режима каскада. В результате через с-игнальные цепи всегда будут протекать некоторые входные токи, создавая падения напряжения на внутренних сопротивлениях источников сигнала. Если величины этих сопротивлений, не одинаковы, между входами возникает разностное напряжение погрешности. Подобным . Же образом неравенство входных токов вызывает появление

Г С =i - 0,005/°С, Т > 25° С,

Для сравнения этой аппроксимации с типовой температурной зависимостью реальных транзисторов на фиг. 2.8 приведены необходимые графики зависимости входного тока от температуры. Отклонения от типовой кривой связаны с изменениями концентрации примесей и с токами утечки. В случае микрорежима (Обратный ток коллекторного перехода при повышенных температурах существенно уменьшает величину входного тока. Дополнительное уменьшение составляет около 30 нА для типовых маломощных кремниевых транзисторов, работающих при напряжении база - коллектор 10 В на температуре 125° С.

Разностный ток 1ов дифференциального каскада на биполярных транзисторах, работающего при равных токах коллекторов, обусловлен рассогласованием величин р транзисторов. Дрейф этого тока является следствием неточного температурного со-

разностного тока, являющегося причиной разностного напряжения погрешности даже в том случае, когда сопротивления источников одинаковы. Входные и разностный токи имеют температурный дрейф. Это приводит к температурной зависимости по-, грешностей и затрудняет их компенсацию. Токовые погрешности дифференциальных каскадов на полевых транзисторах обычно на три порядка ниже, чем у каскадов на биполярных транзисторах вследствие очень малых величин затворных токов.

Входные токи дифференциального каскада на биполярных транзисторах представляют собой базовые токи смещения, и поэтому величина токов и их температурная зависимость определяются характеристиками коэффициента усиления транзисторов. Входной ток равен

1в= . (2.28)

и его дрейф может быть выражен через величину 1в и относительную те51пературную чувствительность коэффициента р. Имеем

Температурная зависимость параметра р обусловлена изменением времени жизни неосновных носителей в области базы [5]. Соответствующий температурный коэффициент имеет величину около 0,5%/° С для обычных кремниевых транзисторов в диапазоне температур свыше 25° С и 1,5%/°С при температурах ниже 25° С. Температурная зависимость входного тока может быть, следовательно, аппроксимирована выражением

Л С =i - 0,005/°С, Г>25°С,

пряжения неравных входных токов. По определению

Ios = Ibi~Ib2-=Ib. (2.31)

где 1в1 я 1в2 - ГОКИ смещения обоих входов. Выразив величину los через параметры (3 и сопоставив выражения (2.28) и (2.31), получаем

при

Ici = Ic2 = Ic-

	ш/х
		0.5%/Г

-50 -25 О 25 50 75 WO 125 . Это выражение можно упростить, используя среднюю ве- - Типовая температурная за-- висимость входного тока дифферен-

циального каскада на биполярных транзисторах.

личину р. Обозначим

где Др = Рг - Pi. Данные соотношения приводят к результату

Iqs -

/с

Полагая, что рассогласование мало и выражая разностный ток через входной, имеем

IosIb при ДР<Р.

(2.32)

Это выражение позволяет определить степень согласования коэффициентов усиления по току, необходимую для получения заданной величины разностного тока. Дрейф разностного тока можно найти, дифференцируя уравнение (2.31) и используя выражение (2.29) для дрейфа входного тока. В результате

Л'рГйГГВ! ат Гв2-

Двумя факторами, вызывающими температурный дрейф величины los, являются неравенство входных токов и неравенство температурных коэффициентов параметров р. Для однотипных транзисторов с близкими величинами коэффициентов усиления по току температурные коэффициенты р практически одинаковы, т. е.

I dR, 1 dp, 1 dp .

Pi dr ~ Рг dT ~ dT-

Тогда Дрейф разностного тока практически полностью обусловлен рассогласованием входных токов, и выражение дрейфа упрощается, приобретая вид

U dTl-

(2.33)

Проведенное выше рассмотрение температурной зависимости величины р, которое привело к формуле (2.30), позволяет аппроксимировать уравнение (2.33). Получаем ~

а OS {25° С)

С = -0,005/°С, Г>25°С, 015/°С, Г<25°С.

ГС = 0, \С = г-0,

(2.34)

Малый дрейф разностного тока будет, таким. образом, следствием малой величины los- Согласование параметров р с точ-.ностью, превышающей 5%, обеспечивает величины разностного тока и его, дрейфа в 20 раз меньшие, чем величины входного тока и его дрейфа. Это вытекает из сопоставления выражений (2.32) и (2.34) с учетом соотношения (2.30).

Уменьшение входных токов и их дрейфа достигается в дифференциальном каскаде по схеме Дарлингтона (фиг. 2.9). Входные токи снижаются пропорционально коэффициенту усиления дополнительных транзисторов, и их величина составляет

/о !=

h

Разностный ток появляется вследствие рассогласования величин р, поэтому он уменьшается не столь существенно, как входные токи. Подставляя результирующий коэффициент усиления рассматриваемой пары транзисторов в уравнение (2.30), получаем выражение для разностного тока

агА J

os -

Таким же образом снижение дрейфа входного тока ограничивается температурным дрейфом коэффициента усиления дополнительных транзисторов, что показывает дифференцирование предыдущего выражения:

Фиг. 2.9. Дифференциальный каскад по схеме Дарлингтона.

Pa dT Рб dT

1 ... 5 6 7 8 9 10 11 ... 51