ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ РАДИАЦИОННО-СТОЙКОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТЕХПРОЦЕССА Российский патент 2015 года по МПК H03F3/00 

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

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) на полевых и биполярных транзисторах, которые содержат отрицательную обратную связь по синфазному сигналу [1-5].

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие ОУ с малым напряжением смещения нуля (U_см). Опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [6], обеспечивающего формирование p-канальных полевых и высококачественных n-p-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 10¹³ н/см².

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 3959733. Он содержит (фиг. 1) входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 противофазные токовые выходы которого соединены с первой 4 шиной источника питания через соответствующие первый 5 и второй 6 токостабилизирующие двухполюсники, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, коллекторы которых объединены и соединены со второй 9 шиной источника питания через третий 10 токостабилизирующий двухполюсник и связаны с общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, база транзистора 8 соединена со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, первый 12 выходной транзистор, база которого соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан со входом токового зеркала 13, согласованным со второй 9 шиной источника питания, второй 14 выходной транзистор, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан с выходом токового зеркала 13 и входом выходного буферного усилителя 15, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов, а также эмиттеры первого 12 и второго 14 выходных транзисторов связаны с первой 4 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что в диапазоне рабочих температур, а также при воздействии потока нейтронов он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля (U_см). В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля. Дополнительная задача - повышение коэффициента ослабления входного синфазного сигнала.

Поставленные задачи достигаются тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 противофазные токовые выходы которого соединены с первой 4 шиной источника питания через соответствующие первый 5 и второй 6 токостабилизирующие двухполюсники, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, коллекторы которых объединены и соединены со второй 9 шиной источника питания через третий 10 токостабилизирующий двухполюсник и связаны с общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, база транзистора 8 соединена со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, первый 12 выходной транзистор, база которого соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан со входом токового зеркала 13, согласованным со второй 9 шиной источника питания, второй 14 выходной транзистор, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан с выходом токового зеркала 13 и входом выходного буферного усилителя 15, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов, а также эмиттеры первого 12 и второго 14 выходных транзисторов связаны с первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 12 выходного транзистора связан со входом токового зеркала 13 через дополнительную цепь коррекции нулевого уровня 16.

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

На чертеже фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 2 формулы изобретения при конкретном выполнении дополнительного неинвертирующего усилителя тока 24.

На чертеже фиг. 5 приведена схема ОУ фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На чертеже фиг. 6 показана зависимость напряжения смещения нуля (Uсм) ОУ фиг. 5 при изменениях температуры в диапазоне t=-60…+120°C, токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА (в обозначениях фиг. 5), а также отсутствии дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 (нулевом напряжении между узлами 22, 23 U_22-23=V3=0 В).

На чертеже фиг. 7 показан график изменения напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 в диапазоне потока нейтронов Fn=0,2·10⁸…10¹⁸ н/м² и токах I3=3 мА, I1=I2=2 мА, при температуре окружающей среды t=27°C, а также отсутствии дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 (нулевом напряжении между узлами 22, 23 U_22-23=V3=0 В).

На чертеже фиг. 8 приведена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 при различных значениях напряжения U_22-23=V3=0…5 В на дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 и токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА, а также температуре окружающей среды t=27°C.

На чертеже фиг. 9 представлена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 при различных значениях напряжения U_22-23=V3=0…5 В на дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 и токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА, а также температуре окружающей среды t=-60°C.

На чертеже фиг. 10 показана зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 при различных значениях напряжения U_22-23=V3=0…5 В на дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 и токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА, а также температуре окружающей среды t=120°C.

На чертеже фиг. 11 приведена схема ОУ фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях транзисторов АБМК_1_3 для исследования свойств заявляемой схемы ОУ в широком диапазоне температур (t=-60…+120°C) и воздействии потока нейтронов.

На чертеже фиг. 12 представлена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 11 при различных значениях температуры t=-60…-420°C и токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА.

На чертеже фиг. 13 показана зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 11 при воздействии потока нейтронов в диапазоне Fn=0,2·10⁸…10¹⁸ н/м² и токах I3=1.0741 мА, I1=I2=2 мА, а также температуре окружающей среды t=27°C.

На чертеже фиг. 14 представлены частные варианты практической реализации дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16.

Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого техпроцесса фиг. 2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 противофазные токовые выходы которого соединены с первой 4 шиной источника питания через соответствующие первый 5 и второй 6 токостабилизирующие двухполюсники, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, коллекторы которых объединены и соединены со второй 9 шиной источника питания через третий 10 токостабилизирующий двухполюсник и связаны с общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, база транзистора 8 соединена со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, первый 12 выходной транзистор, база которого соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан со входом токового зеркала 13, согласованным со второй 9 шиной источника питания, второй 14 выходной транзистор, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан с выходом токового зеркала 13 и входом выходного буферного усилителя 15, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов, а также эмиттеры первого 12 и второго 14 выходных транзисторов связаны с первой 4 шиной источника питания. Коллектор первого 12 выходного транзистора связан со входом токового зеркала 13 через дополнительную цепь коррекции нулевого уровня 16.

Заявляемое устройство фиг. 2 имеет также выход 17, связанный с выходом выходного буферного усилителя 15. Входной параллельно-балансный каскад 1 в данной схеме реализован на полевых транзисторах 18 и 19 радиационно-стойкого АБМК_1_3. Входами устройства 20 и 21 являются затворы соответствующих транзисторов 18 и 19.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, коллекторы первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов связаны с общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1 через дополнительный неинвертирующий усилитель тока 24. Кроме этого, в схеме фиг. 3 дополнительная цепь коррекции нулевого уровня 16 имеет соответствующие выводы 22 и 23.

На чертеже фиг. 4, соответствующем чертежу фиг. 3, дополнительный неинвертирующий усилитель тока 24 реализован на полевом транзисторе 25, а третий 10 токостабилизирующий двухполюсник выполнен в виде резистора 26.

В схемах фиг. 14 дополнительная цепь коррекции нулевого уровня 16 реализуется на основе транзисторов 27 и 28 (а) или транзистора 29 и резисторов 30, 31 (б), или стабилитрона 32 (в). Возможны и другие специальные построения дополнительной цепи коррекции U_см 16, при которых в ОУ реализуются дополнительные эффекты компенсации U_см.

Рассмотрим работу МОУ фиг. 2.

Статический режим транзисторов схемы фиг. 2 устанавливается за счет цепи отрицательной обратной связи по синфазному сигналу, которая организуется транзисторами 7, 8, общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1, транзисторами 18, 19, а также первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами входного параллельно-балансного каскада 1. При этом токи стока и токи коллекторов транзисторов определяются уравнениями

где I₅, I₆, I₁₀ - токи двухполюсников 5, 6, 10.

Отрицательная обратная связь повышает коэффициент ослабления входного синфазного напряжения ОУ фиг. 2.

Анализ графиков фиг. 8, фиг. 9 и фиг. 10 показывает, что введение в схеме фиг. 2 дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16, в соответствии с п. 1 формулы изобретения, уменьшает U_см практически до нуля (независимо от воздействия температуры и потока нейтронов). Причем оптимальное значение напряжения V3=U_22-23 на дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 соответствует величине напряжений питания .

Введение дополнительного неинвертирующего усилителя тока 24 увеличивает усиление по петле отрицательной обратной связи по синфазному сигналу и повышает синфазную помехоустойчивость ОУ [7].

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US №3959733.

2. Патент US №6157255.

3. Патент RU №2331970 fig. 1.

4. Патентная заявка US 2007/0096814.

5. Патент US №5610547.

6. 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.

7. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979. - 151 с.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала. Прецизионный операционный усилитель содержит: входной параллельно-балансный каскад, первый и второй противофазные токовые выходы которого соединены с первой шиной источника питания через соответствующие первый и второй токостабилизирующие двухполюсники, первый и второй вспомогательные транзисторы, коллекторы которых объединены и соединены со второй шиной источника питания через третий токостабилизирующий двухполюсник и связаны с общей истоковой цепью входного параллельно-балансного каскада, база первого вспомогательного транзистора соединена с первым токовым выходом входного параллельно-балансного каскада, база транзистора соединена со вторым токовым выходом входного параллельно-балансного каскада, первый выходной транзистор, база которого соединена с первым токовым выходом входного параллельно-балансного каскада, а коллектор связан со входом токового зеркала, согласованным со второй шиной источника питания. 1 з.п ф-лы, 14 ил.

1. Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого техпроцесса, содержащий входной параллельно-балансный каскад (1), первый (2) и второй (3) противофазные токовые выходы которого соединены с первой (4) шиной источника питания через соответствующие первый (5) и второй (6) токостабилизирующие двухполюсники, первый (7) и второй (8) вспомогательные транзисторы, коллекторы которых объединены и соединены со второй (9) шиной источника питания через третий (10) токостабилизирующий двухполюсник и связаны с общей истоковой цепью (11) входного параллельно-балансного каскада (1), база первого (7) вспомогательного транзистора соединена с первым (2) токовым выходом входного параллельно-балансного каскада (1), база транзистора (8) соединена со вторым (3) токовым выходом входного параллельно-балансного каскада (1), первый (12) выходной транзистор, база которого соединена с первым (2) токовым выходом входного параллельно-балансного каскада (1), а коллектор связан со входом токового зеркала (13), согласованным со второй (9) шиной источника питания, второй (14) выходной транзистор, база которого подключена ко второму (3) токовому выходу входного параллельно-балансного каскада (1), а коллектор связан с выходом токового зеркала (13) и входом выходного буферного усилителя (15), причем эмиттеры первого (7) и второго (8) вспомогательных транзисторов, а также эмиттеры первого (12) и второго (14) выходных транзисторов связаны с первой (4) шиной источника питания, отличающийся тем, что коллектор первого (12) выходного транзистора связан со входом токового зеркала (13) через дополнительную цепь коррекции нулевого уровня (16).

2. Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого техпроцесса по п. 1, отличающийся тем, что коллекторы первого (7) и второго (8) вспомогательных транзисторов связаны с общей истоковой цепью (11) входного параллельно-балансного каскада (1) через дополнительный неинвертирующий усилитель тока (24).