ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ РАДИАЦИОННО-СТОЙКОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Российский патент 2015 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано также в измерительной технике в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) на полевых транзисторах с управляющим р-n переходом [1-12]. На их основе реализуется широкий класс устройств преобразования и усиления сигналов [13-16].

Для работы в условиях космического пространства в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие ОУ с малым напряжением смещения нуля (U_см). Авторский опыт проектирования устройств данного класса [13] показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [13], обеспечивающего формирование р-канальных полевых и высококачественных n-p-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 10¹³ н/см². Однако для данного технологического процесса [13] необходима специальная схемотехника ОУ, не содержащая p-n-p транзисторов в основных каналах усиления, а также предполагающая использование полевых транзисторов во входных цепях.

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 4.596.958. Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, первый 3 выходной биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с истоком первого 1 входного полевого транзистора, а коллектор через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, второй 6 выходной биполярный транзистор, база которого соединена с базой первого 3 выходного биполярного транзистора, эмиттер подключен к истоку второго 2 входного полевого транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, буферный усилитель 8 с первым 9 основным выходом, а также первым 10 и вторым 11 противофазными входами, вторую 12 шину источника питания, с которой с которой согласованы потенциалы стоков первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что он (из-за асимметрии входного каскада) имеет повышенное значение напряжения смещения нуля (U_см) и, кроме этого, характеризуется повышенным коэффициентом передачи на первый 9 основной выход устройства входного синфазного сигнала. В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании радиационно-стойкого симметричного (по входным цепям) операционного усилителя для биполярно-полевого технологического процесса с малым напряжением смещения нуля (U_см).

Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, первый 3 выходной биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с истоком первого 1 входного полевого транзистора, а коллектор через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, второй 6 выходной биполярный транзистор, база которого соединена с базой первого 3 выходного биполярного транзистора, эмиттер подключен к истоку второго 2 входного полевого транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, буферный усилитель 8 с первым 9 основным выходом, а также первым 10 и вторым 11 противофазными входами, вторую 12 шину источника питания, с которой согласованы потенциалы стоков первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные полевые транзисторы, объединенные истоки которых связаны с первой 5 шиной источника питания через дополнительный 15 токостабилизирующий двухполюсник и подключены к объединенным базам первого 3 и второго 6 выходных транзисторов, затвор первого 13 дополнительного полевого транзистора соединен с коллектором второго 6 выходного биполярного транзистора, затвор второго 14 дополнительного полевого транзистора соединен с коллектором первого 3 выходного биполярного транзистора, причем сток первого 13 дополнительного полевого транзистора соединен с первым 10 входом буферного усилителя 8, а сток второго 14 дополнительного полевого транзистора соединен со вторым 11 входом буферного усилителя 8.

На чертеже фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с пп. 1, 2 и 3 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства фиг. 2, в которой буферный усилитель 8 имеет конкретное исполнение - на основе токового зеркала 17, транзистора 18 в промежуточном каскаде, источника тока 19 и неинвертирующего буферного усилителя 20.

На чертеже фиг. 4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 4 формулы изобретения, которая построена на базе ОУ фиг. 3.

На чертеже фиг. 5 показана схема ОУ фиг. 2 с конкретным выполнением буферного усилителя 8, имеющего противофазные основной 9 и дополнительный 16 выходы.

Схема фиг. 6 соответствует пп. 5 и 6 формулы изобретения, которая представляет собой мультидифференциальный операционный усилитель, являющийся новым активным элементом [14-16].

На чертеже фиг. 7 приведена схема ОУ фиг. 3 в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях транзисторов АБМК [13].

На чертеже фиг. 8 представлена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 7 при различных значениях тока I4=0.5÷3 мА, при токе I1=2 мА и температуре окружающей среды t=27°C.

На чертеже фиг. 9 приведена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 7 в широком диапазоне температур (t=-60÷120°C) при I4=2.23 мА, I1=2 мА.

На чертеже фиг. 10 показана зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 7 при воздействии потока нейтронов в диапазоне Fn=10¹⁴÷10¹⁸ н/м², при I4=1.69 мА, I1=1 мА, t=27°C.

На чертеже Фиг. 11 представлена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 7 при различных значениях тока I4=0.5÷3 мА при I1=1 мА, t=27°C.

На чертеже фиг. 12 показана зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 7 в широком диапазоне температур (t=-60÷120°C) при I4=1.694 мА, I1=1 мА.

На чертеже фиг. 13 приведена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 7 при воздействии потока нейтронов в диапазоне Fn=10^l4÷10¹⁸ н/м², при I4=2.23 мА, I1=2 мА, t=27°C.

Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, первый 3 выходной биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с истоком первого 1 входного полевого транзистора, а коллектор через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, второй 6 выходной биполярный транзистор, база которого соединена с базой первого 3 выходного биполярного транзистора, эмиттер подключен к истоку второго 2 входного полевого транзистора, а коллектор связан с первой 5 шиной источника питания через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, буферный усилитель 8 с первым 9 основным выходом, а также первым 10 и вторым 11 противофазными входами, вторую 12 шину источника питания, с которой согласованы потенциалы стоков первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов. В схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные полевые транзисторы, объединенные истоки которых связаны с первой 5 шиной источника питания через дополнительный 15 токостабилизирующий двухполюсник и подключены к объединенным базам первого 3 и второго 6 выходных транзисторов, затвор первого 13 дополнительного полевого транзистора соединен с коллектором второго 6 выходного биполярного транзистора, затвор второго 14 дополнительного полевого транзистора соединен с коллектором первого 3 выходного биполярного транзистора, причем сток первого 13 дополнительного полевого транзистора соединен с первым 10 входом буферного усилителя 8, а сток второго 14 дополнительного полевого транзистора соединен со вторым 11 входом буферного усилителя 8.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, буферный усилитель 8 имеет дополнительный выход 16, противофазный основному выходу устройства 9.

Кроме этого, на чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, стоки первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов связаны со второй 12 шиной источника питания.

На чертеже фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 3 формулы изобретения, в которой буферный усилитель 8 имеет конкретное исполнение - на основе токового зеркала 17, транзистора 18 в схеме промежуточного каскада, источника тока 19 и неинвертирующего буферного усилителя 20.

На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, сток первого 1 входного полевого транзистора соединен со вторым 11 входом буферного усилителя 9, а сток второго 2 входного полевого транзистора связан с первым 10 входом буферного усилителя 8.

В схеме фиг. 5 буферный усилитель 8 фиг. 2 реализован на транзисторах 21, 22, источниках опорного тока 23, 24, повторителях напряжения 25, 26, 27, резисторах обратной связи 28, 29, включенных между выходами устройства 9, 16, а также резисторов 30 и 31. Такое выполнение буферного усилителя 8 (фиг. 2) обеспечивает противофазные выходные сигналы в заявляемом устройстве.

В схеме фиг. 6 буферный усилитель 8 реализован на основе токового зеркала 32 и инвертирующего выходного каскада 33. Кроме этого, в соответствии с п. 5, в схему введены первый 34 и второй 35 вспомогательные биполярные транзисторы, базы которых соединены с базами первого 3 и второго 6 выходных транзисторов, коллектор первого 34 вспомогательного транзистора соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора, а его эмиттер связан с истоком первого 36 вспомогательного полевого транзистора, коллектор второго 35 вспомогательного транзистора соединен с коллектором второго 6 выходного транзистора, а его эмиттер связан с истоком второго 37 вспомогательного полевого транзистора, причем затвор первого 36 вспомогательного транзистора является первым 38 дополнительным входом устройства, затвор второго 37 вспомогательного транзистора является вторым 39 дополнительным входом устройства.

На чертеже фиг. 6, в соответствии с п. 6 формулы изобретения, стоки первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, а также стоки первого 36 и второго 37 вспомогательных полевых транзисторов связаны со второй 12 шиной источника питания.

Рассмотрим в сравнении работу ОУ фиг. 1 и фиг. 2.

В схеме ОУ-прототипа, в соответствии с фиг. 1, напряжение смещения нуля определяется формулой

где µ₆≈10^-3 - коэффициент внутренней обратной связи второго 6 выходного биполярного транзистора, характеризующий смещение его входной характеристики U_эб=f(I₃, U_кб) при изменении напряжения коллектор-база на 1В;

U_эб.i - напряжение эмиттер-база i-гo транзистора при идентичных эмиттерных токах и одинаковых напряжениях коллектор-база;

U_зи.j - напряжение затвор-исток j-гo полевого транзистора при идентичных токах стока и нулевых напряжениях коллектор-база;

U_кб.6 - статическое напряжение коллектор-база транзистора 6.

Если считать, что U_зи.1=U_зи.2, U_эб.3=U_эб.6, а напряжение U_кб.6=1÷3 В, то из (1) следует, что в известной схеме фиг. 1 напряжение смещения нуля не лучше, чем

Кроме этого, входной статический ток буферного усилителя 8 (I_вх.11) «добавляет» в суммарное U_см.∑ свою составляющую

где S_∑ - крутизна преобразования входного дифференциального сигнала ОУ в приращение коллекторного тока второго 2 выходного транзистора. Причем

где φ_т=25 мВ - температурный потенциал;

I₄=I₇ - токи токостабилизирующих двухполюсников 4 и 7;

S₁ (S₂) - крутизна полевого транзистора 1 (2),

Например, при I_вх.11=1÷10 мкА, S₁=S₂=1 мА/В находим, что U_см.11=2÷20 мВ.

Таким образом, напряжение смещения нуля U_см. известного ОУ не удовлетворяет многим применениям.

Заявляемый ОУ благодаря высокой симметрии статических режимов применяемых во входных цепях активных компонентов, а также практически нулевым токам затворов дополнительных транзисторов 13, 14, отсутствием составляющей U_см.11 (3) характеризуется малыми значениями нулевого уровня U_см.∑=(1÷4) мкВ в широком диапазоне температур (-60÷120°С) и радиационных воздействий (см. графики фиг. 9, фиг. 10, фиг. 12, фиг. 13).

Библиографический список

1. Патент US №4.596.958 (прототип)

2. Патент US №7.116.172 fig. 5

3. Патент RU 2452077 fig. 2

4. Патент RU 2475941 fig. 3

5. Патент US 4.667.165 fig. 3

6. Патент US 3.851.270 fig. 1

7. Патент US 6.433.638

8. Патент US 4.709.216 fig. 1

9. Патентная заявка US 2010/0117735 fig. 2

10. Патент US 5.563.598 fig. 6

11. Патентная заявка US 2005/0285677

12. Патент US 4.618.832 fig. 3

13. 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.

14. Прокопенко Н.Н., Бутырлагин Н.В., Пахомов И.В. Основные параметры и уравнения базовых схем включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2014. Сборник трудов. Часть 3 /под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2014. - С. 111-116.

15. Prokopenko N.N., Dvornikov O.V., Butyrlagin N.V., Bugakova A.V. The main connection circuits of the radiation-hardened differential difference amplifier based on the bipolar and field effect technological process // 2014 12th International conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE - 2014) proceedings in 7 Volumes; Novosibirsk, October 2-4, 2014. - Novosibirsk State Technical University. - Vol. 1. - P. 29-34.

16. Прокопенко H.H., Будяков П.С., Бутырлагин H.B. Сверхвысокочастотные мультидифференциальные операционные усилители и основные схемы их включения // 11-я Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения»: Саратов, 25-26 сентября 2014 г.: материалы конф. в 2 т.- Саратов: Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., 2014. - Т. 2. - С. 100-107.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано также в измерительной технике в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат: создание радиационно-стойкого симметричного (по входным цепям) операционного усилителя для биполярно-полевого технологического процесса с малым напряжением смещения нуля (U_см). Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса имеет следующие особенности: в схему введены первый и второй дополнительные полевые транзисторы, объединенные истоки которых связаны с первой шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключены к объединенным базам первого и второго выходных транзисторов, затвор первого дополнительного полевого транзистора соединен с коллектором второго выходного биполярного транзистора, затвор второго дополнительного полевого транзистора соединен с коллектором первого выходного биполярного транзистора, причем сток первого дополнительного полевого транзистора соединен с первым входом буферного усилителя, а сток второго дополнительного полевого транзистора соединен со вторым входом буферного усилителя. 5 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса, содержащий первый (1) и второй (2) входные полевые транзисторы, первый (3) выходной биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с истоком первого (1) входного полевого транзистора, а коллектор через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (5) шиной источника питания, второй (6) выходной биполярный транзистор, база которого соединена с базой первого (3) выходного биполярного транзистора, эмиттер подключен к истоку второго (2) входного полевого транзистора, а коллектор связан с первой (5) шиной источника питания через второй (7) токостабилизирующий двухполюсник, буферный усилитель (8) с первым (9) основным выходом, а также первым (10) и вторым (11) противофазными входами, вторую (12) шину источника питания, с которой согласованы потенциалы стоков первого (1) и второго (2) входных полевых транзисторов, отличающийся тем, что в схему введены первый (13) и второй (14) дополнительные полевые транзисторы, объединенные истоки которых связаны с первой (5) шиной источника питания через дополнительный (15) токостабилизирующий двухполюсник и подключены к объединенным базам первого (3) и второго (6) выходных транзисторов, затвор первого (13) дополнительного полевого транзистора соединен с коллектором второго (6) выходного биполярного транзистора, затвор второго (14) дополнительного полевого транзистора соединен с коллектором первого (3) выходного биполярного транзистора, причем сток первого (13) дополнительного полевого транзистора соединен с первым (10) входом буферного усилителя (8), а сток второго (14) дополнительного полевого транзистора соединен со вторым (11) входом буферного усилителя (8).

2. Операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса по п. 1, отличающийся тем, что буферный усилитель (8) имеет дополнительный выход (16), противофазный основному выходу устройства (9).

3. Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса по п. 1, отличающийся тем, что стоки первого (1) и второго (2) входных полевых транзисторов связаны со второй (12) шиной источника питания.

4. Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса по п. 1, отличающийся тем, что сток первого (1) входного полевого транзистора соединен со вторым (11) входом буферного усилителя (9), а сток второго (2) входного полевого транзистора связан с первым (10) входом буферного усилителя (8).

5. Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса по п. 1, отличающийся тем, что в схему введены первый (34) и второй (35) вспомогательные биполярные транзисторы, базы которых соединены с базами первого (3) и второго (6) выходных транзисторов, коллектор первого (34) вспомогательного транзистора соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора, а его эмиттер связан с истоком первого (36) вспомогательного полевого транзистора, коллектор второго (35) вспомогательного транзистора соединен с коллектором второго (6) выходного транзистора, а его эмиттер связан с истоком второго (37) вспомогательного полевого транзистора, причем затвор первого (36) вспомогательного транзистора является первым (38) дополнительным входом устройства, затвор второго (37) вспомогательного транзистора является вторым (39) дополнительным входом устройства.

6. Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса по п. 5, отличающийся тем, что стоки первого (1) и второго (2) входных полевых транзисторов, а также стоки первого (36) и второго (37) вспомогательных полевых транзисторов связаны со второй (12) шиной источника питания.