ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ РАДИАЦИОННО-СТОЙКОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Российский патент 2015 года по МПК H03F3/00 

Изобретение относится к области электроники и измерительной технике и может быть использовано в качестве устройства усиления сигналов различных датчиков, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, работающих в условиях воздействия низких температур и радиации.

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие усилители сигналов различных сенсоров, допускающие одновременное воздействие на них низких температур, потока нейтронов и т.п. Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием полевых транзисторов, т.к. биполярные полупроводниковые приборы характеризуются резким уменьшением коэффициента усиления по току базы (β) при температурах, меньших -60°C÷-100°C.

Известны дифференциальные усилители (ДУ) на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом [1-6], предназначенные для работы при низких температурах.

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель по патенту US №6.407.537, fig. 1. Он содержит первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, затворы которых соединены с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами устройства, масштабный резистор 5, включенный между истоками первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, первый 6 и второй 7 вспомогательные транзисторы, стоки которых соединены с истоками соответствующих первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, затворы объединены и связаны с первой 8 шиной источника питания через первый 9 вспомогательный двухполюсник, истоки первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания, вторую 10 шину источника питания, первый 11, второй 12, третий 13 и четвертый 14 выходные полевые транзисторы, первый 15 выход устройства.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он может быть выполнен в виде однокристальной микросхемы только на основе достаточно редких, как правило, не радиационно-стойких технологических процессов, реализующих одновременно полевые BiFET транзисторы с двумя типами проводимости канала (p, n). Это не позволяет применять известную схему ДУ при построении низкотемпературных радиационно-стойких микросхем на основе хорошо зарекомендовавшего себя радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса [7], который обеспечивает формирование только р-канальных полевых транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 10¹³ н/см², а также незначительные изменения их параметров до -190°C.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании радиационно-стойкого низкотемпературного ДУ, реализуемого только на р-канальных полевых транзисторах биполярно-полевого технологического процесса (НПО «Интеграл» (г. Минск)) [7].

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, затворы которых соединены с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами устройства, масштабный резистор 5, включенный между истоками первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, первый 6 и второй 7 вспомогательные транзисторы, стоки которых соединены с истоками соответствующих первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, затворы объединены и связаны с первой 8 шиной источника питания через первый 9 вспомогательный двухполюсник, истоки первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания, вторую 10 шину источника питания, первый 11, второй 12, третий 13 и четвертый 14 выходные полевые транзисторы, первый 15 выход устройства, предусмотрены новые элементы и связи - исток первого 11 выходного полевого транзистора соединен со стоком первого 1 входного полевого транзистора и затвором третьего 13 выходного полевого транзистора через первый 16 дополнительный резистор, причем затвор первого 11 выходного полевого транзистора соединен с затвором третьего 13 выходного полевого транзистора, а сток первого 11 выходного полевого транзистора связан со второй 10 шиной источника питания, исток второго 12 выходного полевого транзистора соединен со стоком второго 2 входного полевого транзистора и затвором четвертого 14 выходного полевого транзистора через второй 17 дополнительный резистор, причем затвор второго 12 выходного полевого транзистора соединен с затвором четвертого 14 выходного полевого транзистора, а сток второго 12 выходного полевого транзистора связан со второй 10 шиной источника питания, исток третьего 13 выходного полевого транзистора соединен со вторым 18 выходом устройства и через первый 19 вспомогательный двухполюсник подключен к объединенным затворам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов, исток четвертого 14 выходного полевого транзистора соединен с первым 15 выходом устройства и через второй 20 вспомогательный двухполюсник подключен к объединенным затворам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов, причем стоки третьего 13 и четвертого 14 выходных полевых транзисторов связаны со второй 10 шиной источника питания.

На чертеже фиг. 1 показана схема ДУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с пп. 1 и 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 4 формулы изобретения, а на чертеже фиг. 4 - в соответствии с п. 4 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 5 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 5, а на чертеже фиг. 6 - в соответствии с п. 6 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 7 приведена схема первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, реализуемых в соответствии с п. 7 формулы изобретения в виде составных активных элементов. Такое решение повышает коэффициент усиления по напряжению ДУ в связи с увеличением выходных сопротивлений таких составных активных элементов (1 и 2).

На чертеже фиг. 8 приведена схема заявляемого дифференциального усилителя фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК [7].

На чертеже фиг. 9 показана частотная зависимость коэффициента усиления для дифференциального выхода усилителя фиг. 8.

На чертеже фиг. 10 представлена схема заявляемого дифференциального усилителя фиг. 2 в среде PSpice на моделях транзисторов АБМК (при включении диодов Q13 и Q14 в истоке полевых транзисторов 6, 7 и R12=R13=6.5 кОм, R9=100 Ом, R2=R3=70 кОм, R4=R5=5 кОм).

На чертеже фиг. 11 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг. 10.

Дифференциальный усилитель на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса для работы при низких температурах фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, затворы которых соединены с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами устройства, масштабный резистор 5, включенный между истоками первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, первый 6 и второй 7 вспомогательные транзисторы, стоки которых соединены с истоками соответствующих первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, затворы объединены и связаны с первой 8 шиной источника питания через первый 9 вспомогательный двухполюсник, истоки первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания, вторую 10 шину источника питания, первый 11, второй 12, третий 13 и четвертый 14 выходные полевые транзисторы, первый 15 выход устройства. Исток первого 11 выходного полевого транзистора соединен со стоком первого 1 входного полевого транзистора и затвором третьего 13 выходного полевого транзистора через первый 16 дополнительный резистор, причем затвор первого 11 выходного полевого транзистора соединен с затвором третьего 13 выходного полевого транзистора, а сток первого 11 выходного полевого транзистора связан со второй 10 шиной источника питания, исток второго 12 выходного полевого транзистора соединен со стоком второго 2 входного полевого транзистора и затвором четвертого 14 выходного полевого транзистора через второй 17 дополнительный резистор, причем затвор второго 12 выходного полевого транзистора соединен с затвором четвертого 14 выходного полевого транзистора, а сток второго 12 выходного полевого транзистора связан со второй 10 шиной источника питания, исток третьего 13 выходного полевого транзистора соединен со вторым 18 выходом устройства и через первый 19 вспомогательный двухполюсник подключен к объединенным затворам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов, исток четвертого 14 выходного полевого транзистора соединен с первым 15 выходом устройства и через второй 20 вспомогательный двухполюсник подключен к объединенным затворам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов, причем стоки третьего 13 и четвертого 14 выходных полевых транзисторов связаны со второй 10 шиной источника питания.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, истоки первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания через соответствующие первый 21 и второй 22 согласующие резисторы (двухполюсники).

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, сток первого 11 выходного полевого транзистора связан со второй 10 шиной источника питания через первый 23 управляемый повторитель тока, а сток второго 12 выходного полевого транзистора связан со второй 10 шиной источника питания через второй 24 управляемый повторитель тока. Первый 23 управляемый повторитель тока имеет токовый вход 25 и выход 26, а также узел установления статического режима 27. Второй 24 управляемый повторитель тока имеет токовый вход 28, выход 29, а также узел установления статического режима 30.

На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, первый 23 управляемый повторитель тока содержит первый 31 согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом 25 первого 23 управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу 26 первого 23 управляемого повторителя тока, а затвор связан со стоком первого 1 входного полевого транзистора, второй 24 управляемый повторитель тока содержит второй 32 согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом 28 второго 24 управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу 29 второго 24 управляемого повторителя тока, а затвор связан со стоком второго 2 входного полевого транзистора.

На чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, первый 23 управляемый повторитель тока содержит третий 33 согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом 25 первого 23 управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу 26 первого 23 управляемого повторителя тока, а затвор связан с истоком первого 11 выходного полевого транзистора, второй 24 управляемый повторитель тока содержит четвертый 34 согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом 28 второго 24 управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу 29 второго 24 управляемого повторителя тока, а затвор связан с истоком второго 12 выходного полевого транзистора.

На чертеже фиг. 6, в соответствии с п. 6 формулы изобретения, первый 23 управляемый повторитель тока содержит пятый 35 согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом 25 первого 23 управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу 26 первого 23 управляемого повторителя тока, а затвор связан со вторым 18 выходом устройства, второй 24 управляемый повторитель тока содержит шестой 36 согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом 28 второго 24 управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу 29 второго 24 управляемого повторителя тока, а затвор связан с первым 15 выходом устройства.

На чертеже фиг. 7, в соответствии с п. 7 формулы изобретения, каждый первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы выполнены как составные транзисторы, содержащие первый 37 и второй 38 дополнительные транзисторы, причем затвор первого 37 дополнительного транзистора является затвором первого 1 (второго 2) входного полевого транзистора, исток первого 37 дополнительного транзистора является истоком первого 1 (второго 2) входного полевого транзистора, исток второго 38 дополнительного полевого транзистора соединен со стоком первого 37 дополнительного транзистора, затвор второго 38 дополнительного транзистора связан с истоком первого 37 дополнительного транзистора, а сток второго 38 дополнительного транзистора является стоком первого 1 (второго 2) входного полевого транзистора.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг. 2.

Напряжение затвор - исток U_зи полевых транзисторов (1, 2, 11, 12) связано с током стока (истока) следующей приближенной формулы

где I_c.max - максимальный ток стока при U_зи=0;

U_отс - напряжение отсечки полевого транзистора при I_c≈0.

Причем напряжения затвор-исток U_зи.11=I_c11R₁₆, U_зи.12=I_c12R₁₇ и, следовательно, с учетом (1) можно найти, что токи стока транзисторов

Таким образом, статические токи стока входных полевых транзисторов 1 и 2 устанавливаются соответственно первым 16 и вторым 17 дополнительными резисторами и зависят от крутизны стоко-затворной характеристики первого 11 и второго 12 выходных полевых транзисторов, т.е. от их геометрии.

Коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг. 2 (например, для второго 18 выхода) определяется уравнением

где - эквивалентное сопротивление в узле А1,

S₁(S₂) - крутизна стоко-затворной характеристики первого 1 (второго 2) входного полевого транзистора.

Причем эквивалентная проводимость у_экв.А1 имеет три составляющие:

где у₁₁ - эквивалентная проводимость двухполюсника на первом 11 выходном полевом транзисторе;

у_вх.13 - входная проводимость третьего 13 выходного полевого транзистора;

у_вых.1 - выходная проводимость первого 1 входного полевого транзистора:

µ₁=10^-2÷10^-3 - коэффициент внутренней обратной связи первого 1 входного полевого транзистора, характеризующий влияние напряжения сток-затвор на его стоко-затворную характеристику.

Уравнение для проводимости у₁₁ в схеме фиг. 2 можно представить в виде

где µ₁₁=10^-2÷10^-3 - коэффициент внутренней обратной связи первого 11 выходного полевого транзистора, характеризующий влияние напряжения сток-затвор на его стоко-затворную характеристику.

Если считать, что у_вых.1≈0, у_вх.13≈0, , то уравнение для коэффициента усиления (4) принимает вид

Таким образом, для повышения К_у необходимо использовать первый 11 и второй 12 выходные полевые транзисторы с как можно меньшей глубиной внутренней обратной связи (µ₁₁≈10^-2÷10^-3).

Схема фиг. 3, соответствующая п. 3 формулы изобретения, обеспечивает более высокие значения коэффициента усиления по напряжению за счет повышения эквивалентного сопротивления в узлах А1 и А2. Для этой цели применяются усилители тока 23 и 24, практическая реализация которых возможна по схемам фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6. Данные схемотехнические решения существенно уменьшают проводимость у₁₁, и следовательно эквивалентную проводимость в узле А1, которая, однако, будет ограничена выходной проводимостью входных транзисторов 1 и 2 (у_вых.1, у_вых.2).

Так, в схемах фиг. 4 и фиг. 5 эквивалентные проводимости у₁₁, у₁₂ существенно уменьшаются:

где µ_ij - коэффициент внутренней обратной связи соответствующих (ij) полевых транзисторов, характеризующих влияние напряжения сток-затвор на их стоко-затворную характеристику.

Для минимизации составляющих у_вых.1 (у_вых.2) в эквивалентных проводимостях узлов Α1, А2 входные транзисторы 1 и 2 реализуются в соответствии с п. 7 формулы изобретения на основе составных транзисторов (чертеж фиг. 7). Применение составных активных элементов в качестве входных транзисторов 1 и 2 (фиг. 7), в соответствии с п. 7 формулы изобретения, уменьшает их эквивалентные выходные проводимости у_вых.1, у_вых.2

В конечном итоге это также повышает К_у.

Рассмотренный выше комплекс схемотехнических мер позволяет обеспечить повышенные значения одного из основных динамических параметров ДУ - коэффициента усиления по напряжению.

Экспериментальные исследования р-канальных полевых транзисторов биполярно-полевого технологического процесса [7] подтверждают их работоспособность до температуры -190°С, накопленной дозы радиации до 1 Мрад и потоке нейтронов до 10⁺³ н/см².

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 4.667.165 fig. 3

2. Патент US 3.851.270 fig. 1

3. Патент US 6.433.638.

4. Патент US 4.709.216 fig. 1

5. Патентная заявка US 2010/0117735 fig. 2.

6. Патент US 5.563.598 fig. 6.

7. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем: монография / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский; под. общ. ред. д.т.н. проф. Н.Н. Прокопенко; ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». - Шахты: ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС, 2011. - 208 с.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве устройства усиления сигналов различных датчиков, в условиях воздействия низких температур и радиации. Технический результат заключается в обеспечении радиационно-стойкого низкотемпературного дифференциального усилителя за счет р-канальных полевых транзисторов биполярно-полевого технологического процесса. Истоки, соответствующие выходам полевых транзисторов, соединены со стоками соответствующих входов транзистора, затвор одних выходов полевых транзисторов соединен с затворами других соответствующих полевых транзисторов и истоки одних входов полевых транзисторов через первый двухполюсник связан с шиной источника питания, а истоки других первых полевых транзисторов через второй двухполюсник соединены с объединяющим затвором вспомогательным затвором вспомогательного транзистора. 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Дифференциальный усилитель на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса для работы при низких температурах, содержащий первый (1) и второй (2) входные полевые транзисторы, затворы которых соединены с соответствующими первым (3) и вторым (4) входами устройства, масштабный резистор (5), включенный между истоками первого (1) и второго (2) входных полевых транзисторов, первый (6) и второй (7) вспомогательные транзисторы, стоки которых соединены с истоками соответствующих первого (1) и второго (2) входных полевых транзисторов, затворы объединены и связаны с первой (8) шиной источника питания через первый (9) вспомогательный двухполюсник, истоки первого (6) и второго (7) вспомогательных транзисторов связаны с первой (8) шиной источника питания, вторую (10) шину источника питания, первый (11), второй (12), третий (13) и четвертый (14) выходные полевые транзисторы, первый (15) выход устройства, отличающийся тем, что исток первого (11) выходного полевого транзистора соединен со стоком первого (1) входного полевого транзистора и затвором третьего (13) выходного полевого транзистора через первый (16) дополнительный резистор, причем затвор первого (11) выходного полевого транзистора соединен с затвором третьего (13) выходного полевого транзистора, а сток первого (11) выходного полевого транзистора связан со второй (10) шиной источника питания, исток второго (12) выходного полевого транзистора соединен со стоком второго (2) входного полевого транзистора и затвором четвертого (14) выходного полевого транзистора через второй (17) дополнительный резистор, причем затвор второго (12) выходного полевого транзистора соединен с затвором четвертого (14) выходного полевого транзистора, а сток второго (12) выходного полевого транзистора связан со второй (10) шиной источника питания, исток третьего (13) выходного полевого транзистора соединен со вторым (18) выходом устройства и через первый (19) вспомогательный двухполюсник подключен к объединенным затворам первого (6) и второго (7) вспомогательных транзисторов, исток четвертого (14) выходного полевого транзистора соединен с первым (15) выходом устройства и через второй (20) вспомогательный двухполюсник подключен к объединенным затворам первого (6) и второго (7) вспомогательных транзисторов, причем стоки третьего (13) и четвертого (14) выходных полевых транзисторов связаны со второй (10) шиной источника питания.

2. Дифференциальный усилитель на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса для работы при низких температурах по п. 1, отличающийся тем, что истоки первого (6) и второго (7) вспомогательных транзисторов связаны с первой (8) шиной источника питания через соответствующие первый (21) и второй (22) согласующие резисторы.

3. Дифференциальный усилитель на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса для работы при низких температурах по п. 1, отличающийся тем, что сток первого (11) выходного полевого транзистора связан со второй (10) шиной источника питания через первый (23) управляемый повторитель тока, а сток второго (12) выходного полевого транзистора связан со второй (10) шиной источника питания через второй (24) управляемый повторитель тока.

4. Дифференциальный усилитель на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса для работы при низких температурах по п. 3, отличающийся тем, что первый (23) управляемый повторитель тока содержит первый (31) согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом (25) первого (23) управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу (26) первого (23) управляемого повторителя тока, а затвор связан со стоком первого (1) входного полевого транзистора, второй (24) управляемый повторитель тока содержит второй (32) согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом (28) второго (24) управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу (29) второго (24) управляемого повторителя тока, а затвор связан со стоком второго (2) входного полевого транзистора.

5. Дифференциальный усилитель на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса для работы при низких температурах по п. 3, отличающийся тем, что первый (23) управляемый повторитель тока содержит третий (33) согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом (25) первого (23) управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу (26) первого (23) управляемого повторителя тока, а затвор связан с истоком первого (11) выходного полевого транзистора, второй (24) управляемый повторитель тока содержит четвертый (34) согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом (28) второго (24) управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу (29) второго (24) управляемого повторителя тока, а затвор связан с истоком второго (12) выходного полевого транзистора.

6. Дифференциальный усилитель на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса для работы при низких температурах по п. 3, отличающийся тем, что первый (23) управляемый повторитель тока содержит пятый (35) согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом (25) первого (23) управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу (26) первого (23) управляемого повторителя тока, а затвор связан со вторым (18) выходом устройства, второй (24) управляемый повторитель тока содержит шестой (36) согласующий полевой транзистор, исток которого соединен со входом (28) второго (24) управляемого повторителя тока, сток подключен к выходу (29) второго (24) управляемого повторителя тока, а затвор связан с первым (15) выходом устройства.

7. Дифференциальный усилитель на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса для работы при низких температурах по п. 3, отличающийся тем, что каждый первый (1) и второй (2) входные полевые транзисторы выполнены как составные транзисторы, содержащие первый (37) и второй (38) дополнительные транзисторы, причем затвор первого (37) дополнительного транзистора является затвором первого (1) (второго (2)) входного полевого транзистора, исток первого (37) дополнительного транзистора является истоком первого (1) (второго (2)) входного полевого транзистора, исток второго (38) дополнительного полевого транзистора соединен со стоком первого (37) дополнительного транзистора, затвор второго (38) дополнительного транзистора связан с истоком первого (37) дополнительного транзистора, а сток второго (38) дополнительного транзистора является стоком первого (1) (второго (2)) входного полевого транзистора.