ВХОДНОЙ КАСКАД МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ ДЛЯ РАДИАЦИОННО-СТОЙКОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Российский патент 2015 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники и может быть использовано в качестве устройства усиления сигналов различных датчиков, например, в мульдифференциальных операционных усилителях (МОУ), в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, работающих в условиях воздействия радиации.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение мультидифференциальные операционные усилители (МОУ) [1-12]. На их основе реализуется новый класс устройств преобразования и усиления сигналов [13-18].

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие МОУ, допускающие одновременное воздействие на них низких температур, потока нейтронов и т.п. Мировое проектирование устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.

Известны входные каскады (ВК) операционных усилителей на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом [19-26].

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является ВК по патенту US №6407537 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 полевые 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 полевых транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания, вторую 10 шину источника питания, первый 11 выход устройства, связанный со стоком первого 1 входного полевого транзистора и первым 12 входом цепи нагрузки 13, согласованной со второй 10 шиной источника питания, второй 14 выход устройства, связанный со стоком второго 2 входного полевого транзистора и вторым 15 входом цепи нагрузки 13.

Существенный недостаток известной схемы ВК состоит в том, что она может быть выполнена в составе однокристальной микросхемы только на основе достаточно редких, как правило, не радиационно-стойких технологических процессов, реализующих одновременно полевые BiFET транзисторы с двумя типами каналов (p, n). Это не позволяет применять известную схему ВК при построении радиационно-стойких микросхем МОУ на основе хорошо зарекомендовавшего себя радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса [27], который обеспечивает формирование p-канальных полевых и высококачественных n-p-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 10¹³ н/см².

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании радиационно-стойкого входного каскада мультидифференциального операционного усилителя для биполярно-полевого технологического процесса, реализуемого на p-канальных полевых и высокачественных n-p-n биполярных транзисторах с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 10¹³ н/см² (НПО «Интеграл» (г. Минск)) [27].

Дополнительная задача - уменьшение (на 1-2 порядка) коэффициента передачи синфазного сигнала с входов ВК на первый 11 и второй 14 выходы устройства.

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 полевые 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 полевых транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания, вторую 10 шину источника питания, первый 11 выход устройства, связанный со стоком первого 1 входного полевого транзистора и первым 12 входом цепи нагрузки 13, согласованной со второй 10 шиной источника питания, второй 14 выход устройства, связанный со стоком второго 2 входного полевого транзистора и вторым 15 входом цепи нагрузки 13, предусмотрены новые элементы и связи - истоки первого 6 и второго 7 вспомогательных полевых транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания через дополнительный резистор 16 и объединены с базой дополнительного транзистора 17, причем коллектор дополнительного транзистора 17 связан с объединенными затворами первого 6 и второго 7 вспомогательных полевых транзисторов, а эмиттер дополнительного транзистора 17 соединен с источником опорного напряжения 18.

На фиг. 1 показана схема ВК-прототипа, а на чертеже фиг.2 -схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения для случая, когда цепь нагрузки 13 реализована в виде симметричной активной нагрузки с местной отрицательной обратной связью по синфазному сигналу.

На фиг. 3 показана схема заявляемого устройства для случая, когда симметричная цепь нагрузки 13 выполнена в виде резистивных двухполюсников 28, 29.

На фиг. 4 показана функциональная схема мультидифференциального ОУ на базе заявляемого входного каскада.

На фиг. 5 показана схема заявляемого устройства фиг. 3 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 6 представлена частотная зависимость коэффициента передачи синфазного сигнала схемы ВК фиг.5 для первого 11 выхода устройства.

На фиг. 7 показана схема ВК-прототипа фиг. 1 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК13 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 8 представлена частотная зависимость коэффициента передачи синфазного сигнала схемы ВК фиг. 7 для первого 11 выхода устройства. Сравнение графиков фиг. 6 и фиг. 8 показывают что завляемое устройство обеспечивает более высокое ослабление синфазного сигнала (в 100 раз лучшее по сравнению со схемой ВК-прототипа).

Входной каскад мультидифференциального операционного усилителя для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса 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 полевые 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 полевых транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания, вторую 10 шину источника питания, первый 11 выход устройства, связанный со стоком первого 1 входного полевого транзистора и первым 12 входом цепи нагрузки 13, согласованной со второй 10 шиной источника питания, второй 14 выход устройства, связанный со стоком второго 2 входного полевого транзистора и вторым 15 входом цепи нагрузки 13. Истоки первого 6 и второго 7 вспомогательных полевых транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания через дополнительный резистор 16 и объединены с базой дополнительного транзистора 17, причем коллектор дополнительного транзистора 17 связан с объединенными затворами первого 6 и второго 7 вспомогательных полевых транзисторов, а эмиттер дополнительного транзистора 17 соединен с источником опорного напряжения 18.

В схеме фиг. 2 симметричная цепь нагрузки 13 с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу содержит биполярные транзисторы 19, 20, 21, 22, вспомогательные резисторы 23-26 и источник тока 27.

На чертеже фиг. 3 цепь нагрузки 13 реализована на резисторах 28 и 29.

При построении МОУ (abu/ 4) на основе заявляемого ВК предусматривается параллельное соединение нескольких входных каскадов МОУ (в частном случае - двух идентичных ВК фиг. 2-30 и 31) в соответствии с чертежом фиг. 4.

Рассмотрим работу заявляемого ВК фиг. 3.

Статический режим первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов ВК определяется током стока вспомогательных полевых транзисторов 6 и 7, т.е. зависит от их геометрии, а также сопротивления дополнительного резистора 16. В тех случаях, когда необходимо получить малое значение токов стока первого 1 и второго 2 входных транзисторов в истоковую цепь первого 6 и второго 7 вспомогательных полевых транзисторов следует включать дополнительные резисторы.

При изменении входного синфазного напряжения ВК фиг. 3 (u_c=u₁=u₂) изменяется напряжение на базе дополнительного транзистора 17 на величину

где µ_6-7=10^-2-10^-3 - коэффициент внутренней обратной связи вспомогательных транзисторов 6 и 7.

Это напряжение передается в коллекторную цепь дополнительного транзистора 17 и далее в цепь затворов первого 6 и второго 7 вспомогательных полевых транзисторов. В результате в заявляемой схеме минимизируется влияние внутренней обратной связи первого 6 и второго 7 вспомогательных полевых транзисторов на выходное сопротивление в цепи стока вспомогательных транзисторов 6 и 7. Как следствие, коэффициент передачи синфазного сигнала в схеме фиг. 3 существенно уменьшается (см. фиг. 6 и фиг. 8). Аналогичными свойствами обладает и схема фиг 2.

Замечательная особенность схемы фиг. 3 (фиг. 2) состоит также в том, что в отличие от схемы ВК-прототипа, она реализуется на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса НПО «Интеграл» (г. Минск) [25].

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US 2008/0186091 fig.4.

2. Патент US №5.148.721.

3. Патент US №5.237.526.

4. Патент US №5.729.161 fig. 2.

5. Патентная заявка US 2008/0032648 fig. 3.

6. Патент US №5.045.804 fig. 5.

7. Патент WO 03/043281 fig. 6.

8. Патентная заявка US 2003/0184377.

9. Авт. св. СССР 543946.

10. Патент US №3.916.215.

11. Патент US №4.599.572 fig. 2.

12. Патент RU 2513489.

13. Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., Хорунжий А.В. Нелинейные режимы в мультидифференциальных операционных усилителях // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов / под общ. ред. А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2008. С. 340-343.

14. Прокопенко Н.Н., Манжула В.Г., Белич С.С. Мультидифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля в условиях температурных и радиационных воздействий // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика, Телекоммуникации. Управление. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2010. №3 (101). - С. 204-206.

15. Крутчинский С.Г., Старченко Е.И. Мультидифференциальные усилители и прецизионная схемотехника // Электроника и связь, №21, том 9, 2004, Киев. - С. 101-107.

16. 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.

17. 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.

18. Прокопенко H.H., Будяков П.С., Бутырлагин H.B. Сверхвысокочастотные мультидифференциальные операционные усилители и основные схемы их включения (Circuit and connection design of microwave differential difference amplifiers) // 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.

19. Патент US 4.667.165 fig. 3.

20. Патент US 3.851.270 fig. 1.

21. Патент US 6.433.638.

22. Патент US 4.709.216 fig. 1.

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

24. Патент US 5.563.598 fig. 6.

25. Патентная заявка US 2005/0285677.

26. Патент US 4.618.832 fig. 3.

27.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 области электроники и измерительной техники и может быть использовано в качестве устройства усиления сигналов различных датчиков, например, в мульдифференциальных операционных усилителях (МОУ), в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, работающих в условиях воздействия радиации. Технический результат - создание радиационно-стойкого входного каскада мультидифференциального операционного усилителя для биполярно-полевого технологического процесса. Входной каскад МОУ содержит два входных полевых транзистора, масштабный резистор, два вспомогательных полевых транзистора, две шины источника питания, вспомогательный двухполюсник и цепь нагрузки. Истоки вспомогательных полевых транзисторов через дополнительный резистор связаны с первой шиной источника питания и объединены с базой дополнительного транзистора. Коллектор дополнительного транзистора связан с объединенными затворами вспомогательных полевых транзисторов, а его эмиттер соединен с источником опорного напряжения. 8 ил.

Входной каскад мультидифференциального операционного усилителя для радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса, 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 полевые 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 полевых транзисторов связаны с первой (8) шиной источника питания, вторую (10) шину источника питания, первый (2) выход устройства, связанный со стоком первого (1) входного полевого транзистора и первым (12) входом цепи нагрузки (13), согласованной со второй (10) шиной источника питания, второй (14) выход устройства, связанный со стоком второго (2) входного полевого транзистора и вторым (15) входом цепи нагрузки (13), отличающийся тем, что истоки первого (6) и второго (7) вспомогательных полевых транзисторов связаны с первой (8) шиной источника питания через дополнительный резистор (16) и объединены с базой дополнительного транзистора (17), причем коллектор дополнительного транзистора (17) связан с объединенными затворами первого (6) и второго (7) вспомогательных полевых транзисторов, а эмиттер дополнительного транзистора (17) соединен с источником опорного напряжения (18).