4.5.Источники ошибок усиления постоянной составляющей сигнала

Разрешающая способность ДУ при изменении температуры, напряжения питания и воздействии других внешних факторов связаны с источниками статических ошибок усиления. На рис. 4.8 показаны основные токи и напряжения, наличие и разбаланс которых приводит к этим ошибкам.

Ошибка U_с из-за Е_с была рассмотрена выше. При известных значениях ООСС

,

где ООСС выражается в децибелах. Например, при Е_с = 5B и ООСС =–80 дБ входная ошибка U_с = 510^–4 = 0,5 мВ.

В реальной интегральной схеме с дифференциальным биполярным входом значительная часть ООСС определяется разностью коэффициентов усиления по току входных транзисторов . Например, если коэффициенты усиления отличаются на 2%, то OOCC  1OO дб.

Рис. 4.8. Формирование генераторов ошибок усиления постоянной составляющей сигнала в ДУ

Одним из параметров ДУ является напряжение смещения нуля. Это малый постоянный сигнал, который надо приложить между входами, чтобы сбалансировать ДУ. Напряженно U_см ДУ имеет несколько составляющих. Если для транзисторов усилителя на рис. 4.1 считать неидеально согласованными лишь напряжения U_эб, а номиналы резисторов R_к1 и R_к2 равными и не зависящими от температуры, то

U_см = U_бэ =  U_бэ1 – U_бэ2 

Или:

,

где I_s1, I_s2 — токи утечки переходов база-эмиттер. Из полученного выражения следует, что U_бэ будет стремиться к нулю, если токи утечки эмиттерных переходов будут равны. Для этого оба интегральных транзистора делают геометрически строго одинаковыми и располагают на подложке как можно ближе один к другому. Напряжение U_бэ имеет для большого количества изделий некоторый разброс. Из партии приборов отбираются изделия с требуемыми значениями U_бэ. Таким образом, напряжение U_бэ, определяющее процент выхода годных изделий, характеризует «качество» технологического процесса производства дифференциальных биполярных транзисторных пар.

Определим эквивалентную разность температур управляющих переходов, вызывающую напряжение U_бэ при условии, что I_к1=I_к2. Так как U_бэо = , то

(4.3)

Пусть напряжение база-эмиттер первого транзистора равно U_бэ, а второго — U_бэ + U_бэ; температура первого транзистора равна Т, а второго Т+Т при одинаковых значениях ln(0,5I₀ /I_s). Тогда

, (4.4)

(4.5)

Вычитая (4.4) из (4.5) и подставляя (4.3), получаем

Подсчитаем в качестве примера эквивалентную разность температур двух соседних транзисторов при Т=300К, U_бэ=600 мВ и U_бэ=1 мВ

.

Зависимость U_бэ характеризуется температурным коэффициентом

T_к U_бэ = [U_бэ(T _max) U_бэ(T _min)]/(T _max – T _min) ???

Абсолютное значение Т_к U_бэ определяет основную часть температурного дрейфа усилителя любой сложности, у которого на входе будет работать эта пара транзисторов. Биполярные пары ДУ высокого качества имеют температурный коэффициент 1…4 мкВ/°С.

В схеме ДУ рис. 4.1 возникает также напряжение разбаланса на дифференциальном выходе из-за неидентичности резисторов R_к1 и R_к2. Чтобы сбалансировать ДУ, необходимо перераспределить токи коллекторов, т. е. подать на вход ДУ небольшое напряжение

U_R = I₀R / (2К_д)

Чем меньше уровень тока I₀ и разброс сопротивлений резисторов R, тем меньше эта доля ошибки в общем напряжении U_см0, суммируемая с U_бэ. Так как К_д=I₀R_к/(2_T), то напряжение ошибки из-за неравенства сопротивлений коллекторных резисторов

U_R = 0,5I₀R / К_д = _T R/R_К.

На подложке интегральной схемы согласованные резисторы R_к1 и R_к2 изготавливаются в виде близко расположенных дорожек одинаковой конфигурации. Поэтому разность их номиналов имеет порядок около 1% (при абсолютном разбросе R_к от подложки к подложке 20…30%). В этом случае ошибка U_R=0,3…0,5 мВ и значительно возрастает, если дифференциальные выходы будут нагружены несимметрично, так как при этом увеличится R/R_к.

Входные токи усилителя и их разность генерируют на входах ДУ значительные напряжения ошибки, если источник сигнала высокоомный. Из-за разности входных токов на резисторе R_г выделяется напряжение, которое приложено между входами, т. е. последовательно с источниками сигнала. Величина этой ошибки зависит от абсолютного уровня входного тока, называемого входным током смещения усилителя

I_см = (I_б1 + I_б2) / 2,

который определяется как полусумма входных токов. Если в ДУ установлен уровень тока I₀ и известны значения ₁ и ₂, (причем ₁ = ₂ = ), то

I_б1 = 0,5I_o / ₁, I_б2 = 0,5I_o / ₂, I _см = 0,5I_о /.

При известных значениях I_вх=I_б1 - I_б2 и R_г можно подсчитать дополнительную ошибку смещения нуля:

U_смо (I_вх) =  I_вх R_г = (I_{б 1} – I_{б 2})R_г = 0,5I_o R_г (1/₂–1/ ₁).

Коэффициенты усиления тока базы транзисторов  могут отличаться для интегральной пары на 5% и более. Пусть I₀ = 40 мкА, ₁ = 50, ₂ = 53 и R_г =100 кОм, тогда ошибка смещения нуля за счет I_вх составляет 2,3 мВ.

На напряжение смещения нуля значительное влияние оказывают изменения обоих напряжений питания ДУ. Качество усилителя по устойчивости к изменениям напряжений питания Е₁ и Е₂ характеризуется отношением U_смo/E₂ при Е₁=сonst и U_смo/E₁ при Е₂=const.

Некоторое напряжение ошибки разбаланса возникает в ДУ с течением времени. Эта ошибка проявляется в виде среднего временного дрейфа тока и среднего временного дрейфа напряжения и вызывается процессами старения элементов.