БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ "ПЕРЕГНУТОГО" КАСКОДА Российский патент 2016 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) на полевых и биполярных транзисторах, выполненные на основе архитектуры так называемого «перегнутого каскода» [1-21]. Их основные достоинства - расширенный частотный диапазон, а также эффективное использование напряжения питания.

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие ОУ с малым напряжением смещения нуля (U_см) и низким током потребления в статическом режиме. Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно на основе новой схемотехники и использования биполярно-полевого технологического процесса [22], 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. Однако для таких ОУ необходимы специальные схемотехнические решения, учитывающие ограничения биполярно-полевой технологии [22].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 7.215.200, fig. 6. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1, общая истоковая цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 входы входного дифференциального каскада 1, первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с эмиттером первого 7 выходного транзистора, который через первый 8 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с эмиттером второго 11 выходного транзистора, который через второй 12 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, цепь динамической нагрузки 13, согласованную с первой 3 шиной источника питания, вход которой 14 подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход 15 связан с выходом устройства 16 и коллектором второго 11 выходного транзистора, причем базы первого 7 и второго 11 выходных транзисторов соединены друг с другом.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что его общее токопотребление зависит от числа параллельных ветвей, связывающих первую 3 и вторую 9 шины питания, в число которых входит источник напряжения E_c, обеспечивающий статический режим по базовой цепи первого 7 и второго 11 выходных транзисторов. Кроме этого в диапазоне рабочих, прежде всего низких, температур, а также при воздействии потока нейтронов он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля (U_см) (единицы-десятки милливольт). В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении статического тока, потребляемого ОУ от источников питания (без нагрузки).

Дополнительная задача - уменьшение напряжения смещения нуля.

Поставленные задачи достигаются тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, общая истоковая цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 входы входного дифференциального каскада 1, первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с эмиттером первого 7 выходного транзистора, который через первый 8 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с эмиттером второго 11 выходного транзистора, который через второй 12 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, цепь динамической нагрузки 13, согласованную с первой 3 шиной источника питания, вход которой 14 подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход 15 связан с выходом устройства 16 и коллектором второго 11 выходного транзистора, причем базы первого 7 и второго 11 выходных транзисторов соединены друг с другом, предусмотрены новые элементы и связи - первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером первого 7 выходного транзистора через первый 17 прямосмещенный p-n-переход, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером второго 11 выходного транзистора через второй 18 прямосмещенный p-n-переход, между первым 6 и вторым 10 токовыми выходами входного дифференциального каскада включены последовательно соединенные первый 19 и второй 20 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого 7 и второго 11 выходных транзисторов.

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 показана схема, характеризующая частные варианты построения первого 17 и второго 18 прямосмещенных p-n переходов в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

В схеме фиг. 4 первый 17 и второй 18 прямосмещенные p-n переходы реализованы (в соответствии с п. 3 формулы изобретения) на транзисторах 24, 25 и резисторах 26, 27.

На чертеже фиг. 5 приведена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На чертеже фиг. 6 представлены амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя фиг. 5 без отрицательной обратной связи и со 100% отрицательной обратной связью.

На чертеже фиг. 7 показана зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 от температуры, а на чертеже фиг. 8 - от потока нейтронов.

Биполярно-полевой операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода фиг. 2 содержит входной дифференциальный каскад 1, общая истоковая цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 входы входного дифференциального каскада 1, первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с эмиттером первого 7 выходного транзистора, который через первый 8 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с эмиттером второго 11 выходного транзистора, который через второй 12 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, цепь динамической нагрузки 13, согласованную с первой 3 шиной источника питания, вход которой 14 подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход 15 связан с выходом устройства 16 и коллектором второго 11 выходного транзистора, причем базы первого 7 и второго 11 выходных транзисторов соединены друг с другом. Первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером первого 7 выходного транзистора через первый 17 прямосмещенный p-n-переход, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером второго 11 выходного транзистора через второй 18 прямосмещенный p-n-переход, между первым 6 и вторым 10 токовыми выходами входного дифференциального каскада включены последовательно соединенные первый 19 и второй 20 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого 7 и второго 11 выходных транзисторов.

В схеме фиг. 2 входной дифференциальный каскад 1 содержит источник опорного тока 21, связанный с истоками входных полевых транзисторов 22 и 23.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 17 и второй 18 прямосмещенные p-n-переходы схемы фиг. 2 реализованы в виде первого 24 и второго 25 биполярных транзисторов, причем коллектор первого 24 биполярного транзистора связан с базой данного транзистора, а коллектор второго 25 биполярного транзистора связан с базой второго 25 биполярного транзистора.

На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 3 формулы изобретения (который предусматривает другое конкретное выполнение первого 17 и второго 18 прямосмещенных p-n переходов в схеме фиг. 2), коллектор первого 24 биполярного транзистора связан с базой данного транзистора; через первый 26 вспомогательный резистор, а коллектор второго 25 биполярного транзистора связан с базой второго 25 биполярного транзистора через второй 27 вспомогательный резистор.

Рассмотрим работу ОУ фиг. 2.

Статический режим транзисторов схемы фиг. 2 устанавливается входным дифференциальным каскадом 1 - его источником опорного тока 21 (I₂₁=2I₀). Численные значения сопротивлений дополнительных резисторов 19 и 20 могут быть небольшими 0,2-1 кОм. Как следствие, напряжения на двухполюсниках 17 и 18 U_d17≈U_эб.7, U_d18≈U_эб.11, где U_эб.i - напряжения эмиттер-база первого 7 и второго 11 выходных транзисторов. При этом токи стока (I_ci) входных полевых транзисторов 22 и 23 и токи коллекторов (i_кс) первого 7 и второго 11 выходных транзисторов (при их коэффициентах усиления по току базы β>>1) определяются уравнениями Кирхгофа:

где I₂₁, I₁₇, I₁₈, I_R8, I_R12 - токи двухполюсников 21, 17, 18, 8, 12 соответственно. Таким образом, статический режим ОУ фиг. 2 устанавливается единственным источником опорного тока 21, который может быть достаточно стабильным.

Общее токопотребление схемы фиг. 2 в статическом режиме (без нагрузки) определяется суммой токов четырех параллельных ветвей схемы, включенных между шинами источников питания 3 и 9:

где I_с22, I_c23 - токи стока транзисторов 22 и 23,

I_к7, I_к11 - токи коллекторов транзисторов 7 и 11.

Сравнение токопотребления заявляемой схемы и схемы-прототипа (фиг. 1) показывает, что в известной схеме фиг. 1

где I_Ec - статический ток источника смещения E_c.

Следует заметить, что источник E_c при высоких требованиях по прецизионности часто выполняется по достаточно сложным схемам, содержащим несколько транзисторов. В заявляемом устройстве используется только один прецизионный элемент - источник опорного тока 21, входящий в структуру входного каскада 1. Кроме этого заявляемый ОУ имеет высокие предельные возможности по величине напряжения смещения нуля при воздействии температуры (фиг. 7) и потока нейтронов (фиг. 8).

В схеме фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, предусмотрена дополнительная компенсация влияния на статический режим токов базы транзисторов 7, 11 и 24, 25. Это обеспечивается соответствующим выбором сопротивлений дополнительных и вспомогательных резисторов: R19=R20=R26=R27.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US №2002/0196079, fig 1

2. Патент US №4.600.893, fig. 7

3. Патент US №4.406.990, fig. 4

4. Патент US №4.004.245

5. Патент US №7.411.451, fig. 5

6. Патент US №6.788.143

7. Патент US №5.420.540

8. Патент США №5.422.600, фиг. 2

9. Патент США №4.406.990, фиг. 4

10. Патент США №5.952.882

11. Патент США №4.723.111

12. Патент США №4.293.824

13. Патент США №5.323.121

14. Патент США №5.420.540 fig. 1

15. Патент RU №2.354.041 С1

16. Патентная заявка США №2003/0201828 fig 1, fig 2

17. Патент США №6.825.721 fig 1, fig 2

18. Патент США №6.542.030 fig. 1

19. Патент US 6.456.162, fig. 2

20. Патент US 6.501.333

21. Патент US 6.717.466

22. 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 радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат: уменьшение статического тока, потребляемого ОУ от источников питания (без нагрузки), и уменьшение напряжения смещения нуля. Биполярно-полевой операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода содержит входной дифференциальный каскад (1), первую (3) шину источника питания, первый (7) выходной транзистор, первый (8) токостабилизирующий резистор, вторую (9) шину источника питания, второй (11) выходной транзистор, второй (12) токостабилизирующий резистор, цепь динамической нагрузки (13), согласованную с первой (3) шиной источника питания, вход которой (14) подключен к коллектору первого (7) выходного транзистора, а также первый (17) прямосмещенный p-n-переход, второй (18) прямосмещенный p-n-переход, первый (19) и второй (20) дополнительные резисторы. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Биполярно-полевой операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода, содержащий входной дифференциальный каскад (1), общая истоковая цепь которого (2) связана с первой (3) шиной источника питания, первый (4) и второй (5) входы входного дифференциального каскада (1), первый (6) токовый выход входного дифференциального каскада (1), связанный с эмиттером первого (7) выходного транзистора, который через первый (8) токостабилизирующий резистор соединен со второй (9) шиной источника питания, второй (10) токовый выход входного дифференциального каскада (1), связанный с эмиттером второго (11) выходного транзистора, который через второй (12) токостабилизирующий резистор соединен со второй (9) шиной источника питания, цепь динамической нагрузки (13), согласованную с первой (3) шиной источника питания, вход которой (14) подключен к коллектору первого (7) выходного транзистора, а выход (15) связан с выходом устройства (16) и коллектором второго (11) выходного транзистора, причем базы первого (7) и второго (11) выходных транзисторов соединены друг с другом, отличающийся тем, что первый (6) токовый выход входного дифференциального каскада (1) связан с эмиттером первого (7) выходного транзистора через первый (17) прямосмещенный p-n-переход, второй (10) токовый выход входного дифференциального каскада (1) связан с эмиттером второго (11) выходного транзистора через второй (18) прямосмещенный p-n-переход, между первым (6) и вторым (10) токовыми выходами входного дифференциального каскада включены последовательно соединенные первый (19) и второй (20) дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого (7) и второго (11) выходных транзисторов.

2. Биполярно-полевой операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода по п. 1, отличающийся тем, что первый (17) и второй (18) прямосмещенные p-n-переходы реализованы в виде первого (24) и
второго (25) биполярных транзисторов, причем коллектор первого (24) биполярного транзистора связан с базой данного транзистора, а коллектор второго (25) биполярного транзистора связан с базой второго (25) биполярного транзистора.

3. Биполярно-полевой операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода по п. 2, отличающийся тем, что коллектор первого (24) биполярного транзистора связан с базой данного транзистора через первый (26) вспомогательный резистор, а коллектор второго (25) биполярного транзистора связан с базой второго (25) биполярного транзистора через второй (27) вспомогательный резистор.