3. Точностные параметры

Под точностными параметрами будем понимать такие, которые определяют погрешности ДК, специфичные для него как для усилителя постоянного тока. К числу таких параметров относятся: начальный разбаланс входного напряжения (или напряжение смещения нуля) и его температурный дрейф, средний входной ток и разбаланс входного тока. Рассмотрим кратко эти параметры.

Начальным разбалансом напряжения U_p называют величину входного напряжения, при которой выходное напряжение равно нулю (имеются в виду дифференциальные составляющие обоих напряжений). Поскольку в идеальном (симметричном) ДК нулевому выходному напряжению соответствует нулевое входное, можно считать, что напряжение U_p, как и коэффициент К_д.у, характеризует асимметрию ДК. Однако, в отличие от К_д.у, параметр U_p характеризует асимметрию не по переменным, а по постоянным составляющим токов и напряжений (или как говорят, по постоянному току).

Начальный разбаланс всегда определяется экспериментально, так как, будучи связан с асимметрией схемы, он зависит от многих трудно учитываемых факторов и не поддается точному расчету. Однако полезно провести следующий упрощенный анализ, который хорошо иллюстрирует суть проблемы и одновременно дает полезные результаты.

Пусть коллекторные токи и сопротивления в обоих плечах ДК идентичны; тогда I_k1R_k1 = I_k2R_k2 и U_вых = 0. Если бы напряжения на обоих эмиттерных переходах тоже были идентичны, то на вход не нужно было бы подавать никакого корректирующего напряжения, чтобы сохранить условие Uвых = 0, Тогда начальный разбаланс U_p был бы равен нулю. На деле имеет место некоторый разброс напряжений U_эб при одинаковых токах I_э из-за различия тепловых токов. Чтобы скомпенсировать указанный разброс, необходимо подать на вход напряжение

U_p=U_эб1-U_эб2 (14)

которое по определению и будет начальным разбалансом. Используя выражение и полагая для простоты I'_э0 — I_э0 , получаем:

(15)

Например, если тепловые токи различаются на 20%, то напряжение разбаланса составит U_р ≈ 5 мВ — значение, типичное для многих ДК. В интегральных схемах, где транзисторы расположены рядом друг с другом на одной подложке, вероятность различия электрофизических параметров полупроводника на смежных участках очень невелика; поэтому различие тепловых токов, а вместе с тем и начальный разбаланс будут меньше, чем в дискретных схемах.

Дифференцируя (14) по температуре, получаем температурную чувстви­тельность начального разбаланса, В правой части оказывается разность темпе­ратурных чувствительностей.

(16)

Например, если

Выражение (16) отражает важный факт: уменьшение начального разбаланса сопровождается уменьшением его температурного дрейфа. Значит, в интегральных схемах дрейф меньше, чем в дискретных. Однако выражение (16) теряет силу при значениях U_p < 1 мВ, так как в исходном выражении не учтены некоторые факторы, которые несущественны по отношению к величине U_эб ,но становятся существенными по отношению к малой разности ∆U_эб = U_p.

Если необходимо уменьшить начальный разбаланс по сравнению с его «естественным» значением, применяют внешние цепи балансировки нуля.

Входными токами ДК являются базовые токи транзисторов. Для простоты положим I_к0 = 0, т. е. будем рассматривать кремниевые транзисторы. Тогда I_б = I_к/β и средний входной ток можно записать в следующем виде:

(17)

где I_к — усредненный коллекторный ток, а β — усредненный коэффициент усиления. Такое усреднение допустимо потому, что разброс параметров в плечах ДК невелик.

Роль среднего входного тока как параметра ДК обусловлена тем, что он, протекая по сопротивлению источника сигнала, дает падение напряжения, равносильное синфазной составляющей. Следовательно, при достаточно больших значениях I_Вx.Ср и R_г может, во-первых, появиться паразитный дифференциальный сигнал на выходе и, во-вторых, измениться рабочий режим каскада (см. предыдущий параграф). Таким образом, ток I_вх.ср ограничивает допустимое значение R_г, поэтому его следует уменьшать.

Что касается разбаланса входных токов (или разностного входного тока)

(18)

то он полностью зависит от разброса токов и коэффициентов уси­ления. Если принять, что коллекторные токи выровнены тем или иным путем, то разбаланс входных токов можно записать следующим образом:

(19)

где β— усредненный коэффициент усиления.

Из выражения (19) видно, что разбаланс токов меньше среднего тока (так как ∆β<β) и уменьшается вместе с последним. Видно также, что важную роль играет идентичность коэффициентов усиления β. Это лишний раз подтверждает рациональность интегрального исполнения ДК.

Роль разбаланса среднего тока как параметра состоит в том, что при протекании по сопротивлению источника сигнала ток I_р дает падение напряжения, равносильное дифференциальному сигналу или начальному разбалансу входного напряжения. Поэтому уменьшение тока I_р является одной из первоочередных задач.

С читая, что температурные зависимости среднего тока и его разбаланса сосредоточены в коэффициенте β, нетрудно, дифференцируя (17) и (19), получить соответствующие температурные чувствительности:

(20а)

(20б)

Обе эти температурные чувствительности, как и ε_Up , пропорциональны самим параметрам. Что касается коэффициента В, то он меняется от — 1,5 до — 1,0%/°С в диапазоне от —60 до 0 °С и от —1,0 до —0,5%/°С в диапазоне от 0 до + 125°С.

Помимо рассмотренных усилительных и точностных параметров ДК характеризуются еще многими другими (выходные сопротивления, коэффициент подавления изменений питающих напряжений, максимальные входные и выходные сигналы и т. д.). На них мы не будем останавливаться. Заметим только, что максимально допустимые входные сигналы (как дифференциальный, так и синфазный) ограничены в сущности нелинейными искажениями, а в пределе — отсечкой или насыщением транзисторов.