РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ "НАПРЯЖЕНИЕ - ТОК" Российский патент 2010 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства преобразования аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях, перемножителях напряжения, компараторах и т.д.).

Известны схемы классических преобразователей «напряжение-ток» (ПНТ) на основе дифференциальных каскадов с симметричной нагрузкой в виде резисторов (или p-n переходов) и местной отрицательной обратной связью, которые нашли широкое применение в современных аналоговых микросхемах [1-22], например смесителях и перемножителях сигналов.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является преобразователь «напряжение-ток», описанный в патенте США №6531920, фиг.1, содержащий источник сигнала 1, включенный между базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, масштабирующий резистор 6, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 2 и второго 3 входных транзисторов и первым 8 и вторым 9 токовыми выходами устройства.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что погрешность его преобразования входного напряжения u_вх в выходной ток (I₈, I₉) зависит от численных значений коэффициента усиления по току базы (β) входных транзисторов, который уменьшается в 5÷10 раз при воздействии потока нейтронов (F) и по литературным источникам при F=10¹³÷10¹⁴ n/с·см² для биполярных n-p-n транзисторов достигает значения β_min=5÷10.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в снижении ошибки преобразования входного напряжения в выходной ток в условиях радиации. Это позволяет создавать на базе таких ПНТ прецизионные аналоговые перемножители сигналов, например для систем СВЧ-связи.

Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе фиг.1, содержащем источник сигнала 1, включенный между базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, масштабирующий резистор 6, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 2 и второго 3 входных транзисторов и первым 8 и вторым 9 токовыми выходами устройства, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 дополнительные транзисторы, база первого 10 дополнительного транзистора соединена с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер первого 10 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого 2 входного транзистора, база второго 11 дополнительного транзистора подключена к первому 8 токовому выходу устройства, эмиттер второго 11 дополнительного транзистора соединен с коллектором первого 10 дополнительного транзистора, коллектор второго 11 дополнительного транзистора связан с источником питания 14, база третьего 12 дополнительного транзистора соединена с базой второго 3 входного транзистора, эмиттер третьего 12 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора, база четвертого 13 дополнительного транзистора подключена ко второму 9 токовому выходу устройства, эмиттер четвертого 13 дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего 12 дополнительного транзистора, коллектор четвертого 13 дополнительного транзистора связан с источником питания 14.

На фиг.1 представлена схема устройства-прототипа. Схема заявляемого устройства и ее статические токи показаны на фиг.2.

На фиг.3 показана схема фиг.2 и приращения токов, вызванные входным сигналом.

На фиг.4 показана схема фиг.2 для случая, когда транзисторы 2 и 10, а также 3 и 12 выполнены в виде двухколлекторных транзисторов с общей эмиттерной цепью.

На фиг.5 показана схема преобразователя «напряжение-ток», в котором за счет дополнительных дифференциальных каскадов 17 и 18 введена отрицательная обратная связь, что обеспечивает дальнейшее повышение точки преобразования

u_вх в i_вых схемы фиг.2.

На фиг.6 приведена схема ПНТ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.7 приведена схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

Результаты компьютерного моделирования схем фиг.6 и 7 приведены на фиг.8 и 9. При этом на фиг.8 β=40, а на фиг.9 β=4.

Преобразователь «напряжение-ток» фиг.2 содержит входной источник сигнала 1, включенный между базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, масштабирующий резистор 6, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 2 и второго 3 входных транзисторов и первым 8 и вторым 9 токовыми выходами устройства. В схему введены первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 дополнительные транзисторы, база первого 10 дополнительного транзистора соединена с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер первого 10 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого 2 входного транзистора, база второго 11 дополнительного транзистора подключена к первому 8 токовому выходу устройства, эмиттер второго 11 дополнительного транзистора соединен с коллектором первого 10 дополнительного транзистора, коллектор второго 11 дополнительного транзистора связан с источником питания 14, база третьего 12 дополнительного транзистора соединена с базой второго 3 входного транзистора, эмиттер третьего 12 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора, база четвертого 13 дополнительного транзистора подключена ко второму 9 токовому выходу устройства, эмиттер четвертого 13 дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего 12 дополнительного транзистора, коллектор четвертого 13 дополнительного транзистора связан с источником питания 14.

В схеме фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, цепь нагрузки 7 связана с коллекторами первого 2 и второго 3 входных транзисторов через первый 15 и второй 16 р-n переходы.

В схеме фиг.5 за счет введения дифференциальных каскадов 17 и 18 обеспечивается минимизация влияния сопротивлений эмиттера и базы транзисторов 2, 10 и 3, 12 на погрешность преобразования u_вх в выходной ток.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2 в статическом режиме, а затем схемы фиг.3 на переменном токе.

В схеме фиг.2 при u_вх=0 выходные токи I₈ и I₉ складываются из нескольких составляющих

где I_э.i(I_б.i) - статический ток эмиттера (ток базы) i-го транзистора.

Причем

где β_i - статический коэффициент усиления по току базы i-го транзистора;

I₄, I₅ - токи двухполюсников 4 и 5.

Таким образом, с учетом (3) можно найти

Из (4) и (5) следует, что существенная (но идентичная) деградация β транзисторов 11 и 2, 13 и 3 не приводит к дополнительной статической ошибке δI преобразования u_вх в токи I₈ и I₉

где

В ПНТ-прототипе фиг.1

Если принять, что при повышенной радиации β транзисторов уменьшается (β₂=β₃=10), то относительная ошибка преобразования в ПНТ фиг.1 достигает 10%, а в заявляемом устройстве как минимум на порядок меньше.

Аналогичные выводы о погрешности преобразования u_вх на переменном токе можно сделать в результате анализа схемы фиг.3, для которой при R₆»r_э2≈r_э3 переменные составляющие выходных токов

где

R₆ - сопротивление резистора 6;

- сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 2 и 3.

Таким образом, переменные токи выходов 8 и 9

Следовательно, относительная погрешность крутизны преобразования u_вх в i_вых в схеме фиг.3 получается достаточно малой

Полученные выше теоретические выводы совпадают с результатами компьютерного моделирования схемы фиг.7 - абсолютная погрешность преобразования тока через резистор 6, пропорционального u_вх, в выходной ток предлагаемого ПНТ в 7-10 раз меньше, чем в ПНТ-прототипе. При этом эффект воздействия радиации в схемах моделировался существенным снижением β транзисторов (фиг.8 - β=40, фиг.9 - β=4).

В частном случае коллекторы транзисторов 11 и 13 могут быть использованы как дополнительные токовые выходы ПНТ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5666888.

2. Патент США №5767741.

3. Патентная заявка 20020053935.

4. Патент США №5550.512.

5. Патент США 5256984.

6. Патент США №4439696.

7. А.св. СССР 600545.

8. Патент США 5389893.

9. Патент США 5914639.

10. Патент США 5521544.

11. Патент США №4721920.

12. Патентная заявка 20040251965 А1.

13. Патент США №5065112.

14. Патент США №5521544.

15. Патент США №4288707.

16. Патент США №5774020.

17. Патент США №4498053.

18. Патент США №5610547, фиг.19.

19. Патент США №6369618, фиг.2.

20. Патент США №6111463, фиг.1.

21. Патент США №5610547.

22. Патент США 4385364.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства преобразования аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях, перемножителях напряжения, компараторах и т.д.). Радиационностойкий преобразователь «напряжение-ток» содержит источник сигнала (1), включенный между базами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, первый (4) и второй (5) токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами соответствующих первого (2) и второго (3) входных транзисторов, масштабирующий резистор (6), включенный между эмиттерами первого (2) и второго (3) входных транзисторов, цепь нагрузки (7), связанную с коллекторами первого (2) и второго (3) входных транзисторов и первым (8) и вторым (9) токовыми выходами устройства. В схему введены первый (10) второй (11), третий (12) и четвертый (13) дополнительные транзисторы, база первого (10) дополнительного транзистора соединена с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер первого (10) дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого (2) входного транзистора, база второго (11) дополнительного транзистора подключена к первому (8) токовому выходу устройства, эмиттер второго (11) дополнительного транзистора соединен с коллектором первого (10) дополнительного транзистора, коллектор второго (11) дополнительного транзистора связан с источником питания (14), база третьего (12) дополнительного транзистора соединена с базой второго (3) входного транзистора, эмиттер третьего (12) дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго (3) входного транзистора, база четвертого (13) дополнительного транзистора подключена ко второму (9) токовому выходу устройства, эмиттер четвертого (13) дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего (12) дополнительного транзистора, коллектор четвертого (l3) дополнительного транзистора связан с источником питания (14). Технический результат - снижение погрешности преобразования в условиях радиации. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Радиационно стойкий преобразователь «напряжение - ток», содержащий источник сигнала (1), включенный между базами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, первый (4) и второй (5) токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами соответствующих первого (2) и второго (3) входных транзисторов, масштабирующий резистор (6), включенный между эмиттерами первого (2) и второго (3) входных транзисторов, цепь нагрузки (7), связанную с коллекторами первого (2) и второго (3) входных транзисторов и первым (8) и вторым (9) токовыми выходами устройства, отличающийся тем, что в схему введены первый (10), второй (11), третий (12) и четвертый (13) дополнительные транзисторы, база первого (10) дополнительного транзистора соединена с базой первого (2) входного транзистора, эмиттер первого (10) дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого (2) входного транзистора, база второго (11) дополнительного транзистора подключена к первому (8) токовому выходу устройства, эмиттер второго (11) дополнительного транзистора соединен с коллектором первого (10) дополнительного транзистора, коллектор второго (11) дополнительного транзистора связан с источником питания (14), база третьего (12) дополнительного транзистора соединена с базой второго (3) входного транзистора, эмиттер третьего (12) дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго (3) входного транзистора, база четвертого (13) дополнительного транзистора подключена ко второму (9) токовому выходу устройства, эмиттер четвертого (13) дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего (12) дополнительного транзистора, коллектор четвертого (13) дополнительного транзистора связан с источником питания (14).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь нагрузки (7) связана с коллекторами первого (2) и второго (3) входных транзисторов через первый (15) и второй (16) p-n-переходы.