Схемотехнические способы снижения погрешности перемножения

Источниками погрешности перемножения в четырехквадрантном АП (рис. 2.2) являются:

- напряжение смещения управляемых током дифференциальных каскадов;

- напряжения смещения ПНТ;

- погрешность установки масштабного коэффициента;

- влияние коэффициента усиления тока базы транзисторов;

- влияние токосуммирующего выходного каскада (при использовании одиночного выхода АП);

- нелинейность ПНТ;

- влияние объемных сопротивлений баз транзисторов.

Погрешности, обусловленные первыми пятью факторами, играют существенную роль, но могут быть снижены за счет тщательного симметрирования схемы с использованием технологических возможностей интегральной технологии, а также в процессе эксплуатационной настройки интегральной схемы АП [4].

В [6] показано, что результирующая погрешность АП, обусловленная нелинейностью ПНТ в каналах X и Y может быть найдена как взвешенная сумма погрешности  каждого ПНТ:

,

где X и Y – относительные изменения токов в каждом канале.

Составляющие погрешности, обусловленные нелинейностью ПНТ и объемными сопротивлениями, необходимо снижать схемотехническими приемами, что и будет в дальнейшем рассмотрено.

Упрощенная схема наиболее часто используемого ПНТ, представляющего собой дифференциальный усилитель с последовательной обратной связью по току в эмиттерной цепи, приведена на рисунке 2.3а.

а)                                                          б)

Рис. 2.3. Преобразователь «напряжение-ток» (а) и его проходная характеристика (б)

В работе [7] приводится методика оценки погрешности ПНТ такого рода, суть которой сводится к оценке отклонения реальной функции крутизны преобразования напряжения в ток (кривая 2 на рис. 2.3б) от ее линейного приближения (кривая 1 на рис. 2.3б). В этом случае для схемы рис. 2.3а) крутизну преобразования можно представить как

, (2.10)

где I_X – приращение тока коллектора транзисторов дифференциальной пары; I ₀ – ток источников тока дифференциального каскада; r_E = j_T / I ₀ – дифференциальное выходное сопротивление транзисторов VT1,2 со стороны эмиттера; X = I_X / I ₀ – относительное изменение тока.

В этом случае отклонение от линейности

,

где S_X = dI_X / dU_X – крутизна прямой передачи; dI_X – абсолютное отклонение тока от идеальной линейной функции; S ₀ = I ₀ / U ₀ – крутизна прямой передачи при линейном приближении, I ₀ – максимальный выходной ток преобразователя при подаче на вход максимального напряжения U_X = U ₀.

Отметим, что S_X(0) = S₀, поэтому

. (2.11)

Подставляя (2.11) в (2.10), получаем относительную погрешность преобразования напряжения в ток:

, (2.12)

поскольку при g << 1 можно положить I_X/I₀ » U_X/U₀.

Отметим, что в отличие от предложенного в [4] метода определения погрешности ПНТ в выражении (2.12) отсутствует трансцендентность, что позволяет оценивать погрешность непосредственно, без построения номограмм. Также необходимо отметить, что результаты оценки погрешности предложенным методом хорошо совпадают с результатами схемотехнического моделирования.

Из выражения (2.12) следует, что приемлемых уровней погрешности (меньше 0,1 %) можно достичь только при выполнении условий: R₁/2r_E >500 и X <0,75. Для АП, работающих при питающих напряжениях ±15 В эти условия могут быть легко реализованы, как будет показано ниже. Для низковольтных АП (при их питании от напряжений меньше ±5 В) выполнение этих условий приведет к резкому снижению масштабного коэффициента перемножителя, повышению уровня шумов и т.д.

Основная погрешность линейности преобразования рассмотренного ПНТ обусловлена существенной режимной зависимостью r_E от тока эмиттера. Суть рассмотренных ниже схемотехнических приемов заключается в том, что тем или иным способом необходимо ослабить влияние изменения r_E при изменении тока эмиттера.