ПРЕЦИЗИОННЫЙ ДВУХКАСКАДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2017 года по МПК H03F3/45 H03F3/30 H03F3/34 

Описание патента на изобретение RU2615070C1

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

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение двухкаскадные операционные усилители (ОУ) на полевых и биполярных транзисторах, выполненные на основе архитектуры «перегнутого каскода» [1-25]. Их основные достоинства - эффективное использование напряжения питания, а также расширенный частотный диапазон.

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно стойкие ОУ с повышенным коэффициентом усиления по напряжению (90-100 дБ) и малым напряжением смещения нуля (Uсм). Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [22-25], обеспечивающего формирование р-канальных полевых и высококачественных n-р-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 1013 н/см2. Однако для таких ОУ необходима специальная схемотехника, учитывающая ограничения биполярно-полевой технологии [25].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является двухкаскадный операционный усилитель по патенту US 7.215.200, fig. 6. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания через источник опорного тока 4, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 9, а эмиттеры через соответствующие первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй 12 шиной источника питания, токовое зеркало 13, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 8 выходного транзистора и токовым выходом устройства 14.

Существенный недостаток известного двухкаскадного ОУ состоит в том, что его общий коэффициент усиления по напряжению (Ку) получается небольшим. Это связано с тем, что в известной схеме усиление по напряжению обеспечивается только выходным каскодом на первом 7 и втором 8 выходных транзисторах. Кроме этого, в диапазоне рабочих, прежде всего низких температур, а также при воздействии потока нейтронов он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля (Uсм) (единицы-десятки милливольт). Это связано с повышением влияния на Uсм погрешностей токового зеркала 13 и входного статического тока буферного усилителя 27, подключаемого к выходу 14. В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии двухкаскадного ОУ до уровня 90÷100 дБ.

Дополнительная задача - уменьшение напряжения смещения нуля.

Поставленные задачи достигаются тем, что в двухкаскадном дифференциальном операционном усилителе, содержащем входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания через источник опорного тока 4, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 9, а эмиттеры через соответствующие первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй 12 шиной источника питания, токовое зеркало 13, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 8 выходного транзистора и токовым выходом устройства 14, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены в качестве источника опорного тока 4 управляемый по входу 15 источник опорного тока, причем управляющий вход 15 источника опорного тока 4 соединен с коллекторами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов, база первого 16 дополнительного транзистора соединена с первым 5 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через первый 18 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 12 шиной источника питания, эмиттер первого 16 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 8 выходного транзистора, база второго 17 дополнительного транзистора соединена со вторым 6 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 19 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 12 шиной источника питания.

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

На фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, представлен частный вариант выполнения управляемого по входу 15 источника опорного тока 4.

На фиг. 4 представлена схема заявляемого ОУ, в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На фиг. 5 приведена схема ОУ фиг. 4 в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 6 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 5 без отрицательной обратной связи (верхний график) и с отрицательной обратной связью (нижний график).

На фиг. 7 приведена зависимость напряжения смещения нуля (Uсм) схемы ОУ фиг. 5 от температуры в диапазоне минус 60÷ +80°С (а) и потока нейтронов (б) для случая, когда транзисторы схемы не имеют разброса параметров, а токовое зеркало 13 и буферный усилитель 27 (Gain=1) идеальны. Это позволяет оценить предельные возможности структуры заявляемого ОУ по величине Uсм.

Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель (фиг. 2) содержит входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания через источник опорного тока 4, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 9, а эмиттеры через соответствующие первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй 12 шиной источника питания, токовое зеркало 13, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 8 выходного транзистора и токовым выходом устройства 14. В схему введены в качестве источника опорного тока 4 управляемый по входу 15 источник опорного тока, причем управляющий вход 15 источника опорного тока 4 соединен с коллекторами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов, база первого 16 дополнительного транзистора соединена с первым 5 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через первый 18 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 12 шиной источника питания, эмиттер первого 16 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 8 выходного транзистора, база второго 17 дополнительного транзистора соединена со вторым 6 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 19 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 12 шиной источника питания.

В схеме фиг. 2 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на входных полевых транзисторах 20 и 21, объединенные истоки которых связаны с общей эмиттерной цепью 2 входного дифференциального каскада 1, затворы транзисторов 20 и 21 соединены с соответствующими входами 22 и 23 ОУ. Здесь источник напряжения смещения 9 имеет (относительно второй 12 шины источника питания) напряжение U9≈2Uэб=1,5 В.

На фиг. 3 управляемый по входу 15 источник опорного тока 4, содержит вспомогательный полевой транзистор с управляющим р-n переходом 24 и вспомогательный резистор местной отрицательной обратной связи 25. Сток вспомогательного полевого транзистора с управляющим р-n переходом 24 соединен с общей эмиттерной цепью 2 входного дифференциального каскада 1.

В схеме фиг. 4, соответствующей п. 2 формулы изобретения, предусмотрена цепь смещения потенциалов 26, которая позволяет уменьшить влияние напряжения Эрли первого 7 и второго 8 выходных транзисторов на напряжение смещение нуля ОУ. Для уменьшения выходного сопротивления ОУ может быть предусмотрен буферный усилитель 27, который по потенциальному выходу 28 имеет низкое выходной сопротивление.

Рассмотрим работу ОУ фиг. 4.

Статический режим транзисторов схемы фиг. 4 по току устанавливается первым 18, вторым 19 дополнительными токостабилизирующими двухполюсниками и первым 10 и вторым 11 токостабилизирующими двухполюсниками, которые реализуются на n-р-n транзисторах. Это способствует повышению радиационной стойкости ОУ при его изготовлении в рамках технологического процесса АБМК_1_3 [26]. При этом токи стоков (Ici) и токи коллекторов (Iкi) транзисторов схемы при 100% отрицательной обратной связи в ОУ определяются уравнениями Кирхгофа:

где I10, I11, I18, I19, - токи первого 10, второго 11 токостабилизирующих двухполюсников, первого 18 и второго 19 дополнительных токостабилизирующих двухполюсников;

I2=4I0 - выходной ток источника опорного тока 4;

I0 - некоторый заданный квант тока, например I0=2 мА, выбираемый при проектировании ОУ.

Для дифференциального сигнала переменные составляющие коллекторных токов первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов компенсируют друг друга в цепи управляющего входа 15 и не влияют на работу схемы ОУ. Поэтому коэффициент усиления по напряжению Ку разомкнутой схемы ОУ фиг. 4 определяется выражением:

где uвых.u - приращение напряжения на потенциальном выходе 28, вызванное изменением входного напряжения ОУ (uвх.) между входами 22 и 23;

- коэффициент преобразования входного напряжения ОУ (uвх) в напряжение между токовыми выходами 5 и 6 (u5-6);

- коэффициент передачи напряжения между токовыми выходами 5 и 6 (u5-6) в цепь токового выхода 14 (u14);

- коэффициент передачи по напряжению буферного усилителя 27.

Причем коэффициент усиления

где Rэкв.15-16 - эквивалентное дифференциальное сопротивление между базами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов;

Rэкв.14 - эквивалентное сопротивление выходного узла 14;

- эквивалентная крутизна входного дифференциального каскада на основе входных полевых транзисторов 20 и 21;

S20, S21 - крутизны стоко-затворной характеристики соответствующих входных полевых транзисторов 20 и 21;

rэij - сопротивление эмиттерного перехода ij-го транзистора (rэijт/Iэij);

ϕт=25 мВ - температурный потенциал;

Iэij - статический ток эмиттера ij-го транзистора;

Ki≈1 - модуль коэффициента усиления по току токового зеркала 13;

S2 - крутизна преобразования напряжения между первым 5 и вторым 6 токовыми выходами в выходной ток узла 14.

Численное значение эквивалентного сопротивления Rэкв.15-16 определяется формулой:

где β=β1617 - коэффициент усиления по току базы первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов;

- сопротивление эмиттерных переходов соответствующих транзисторов.

Как следствие, за счет создания в схеме фиг. 4 трех высокоимпедансных узлов 5, 6 и 14 коэффициент усиления по напряжению разомкнутого ОУ фиг. 4 получается достаточно большим (≈90÷100 дБ):

В ОУ-прототипе этот параметр на порядок меньше, так как здесь входной дифференциальный каскад 1 не создает усиления по напряжению.

За счет высокой симметрии схемы напряжение смещения нуля заявляемого ОУ, в отличие от ОУ-прототипа, достаточно мало (фиг. 7). Это связано с уменьшением влияния на Uсм погрешностей токового зеркала 13, которое имеет высокую нестабильность статического режима при внешних воздействиях из-за применения р-n-р транзисторов АБМК_1_3 [25].

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5.422.600, fig. 2.

2. Патент США №4.406.990, fig. 3, fig. 4э

3. Патент США №5.952.882.

4. Патент США №4.293.824.

5. Патент США №5.323.121.

6. Патент США №5.420.540 fig. 1.

7. Патент США №6.825.721 fig 1В.

8. Патент США №6.542.030 fig. 1.

9. Патент US 6.456.162, fig. 2.

10. Патент US 6.501.333.

11. Патент US 6.717.466.

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

13. Патент US №4.600.893, fig. 7.

14. Патент US №4.004.245.

15. Патент US №7.411.451, fig. 5.

16. Патент US №6.788.143, fig. 1.

17. Патент US 4.387.309.

18. Патент US 4.390.850.

19. Патент US 5.963.085.

20. Патент US 4.783.637, fig. 2.

21. Патент GB 2.035.003, fig. 2.

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.

23. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 1 / О. Дворников // Компоненты и технологии, №6, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_6_218.php

24. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 2 / О. Дворников // Компоненты и технологии, №7, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_7_216.php

25. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 3 / О. Дворников // Компоненты и технологии, №8, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_8_184.php

Похожие патенты RU2615070C1

название год авторы номер документа
ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ РАДИАЦИОННО СТОЙКОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 2014
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Бутырлагин Николай Владимирович
  • Бугакова Анна Витальевна
RU2568384C1
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ "ПЕРЕГНУТОГО" КАСКОДА 2015
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Бутырлагин Николай Владимирович
RU2604684C1
Безрезистивный арсенид-галлиевый операционный усилитель с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля 2023
  • Клейменкин Дмитрий Владимирович
  • Фролов Илья Владимирович
  • Сергеенко Марсель Алексеевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
RU2814681C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ 2015
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Пахомов Илья Викторович
  • Бугакова Анна Витальевна
RU2613842C1
Операционный усилитель на основе широкозонных полупроводников 2023
  • Кузнецов Дмитрий Владимирович
  • Фролов Илья Владимирович
  • Сергеенко Марсель Алексеевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
RU2822157C1
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2015
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Пахомов Илья Викторович
  • Бугакова Анна Витальевна
RU2589323C1
КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2016
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Бугакова Анна Витальевна
  • Пахомов Илья Викторович
  • Денисенко Дарья Юрьевна
RU2640744C1
Арсенид-галлиевый операционный усилитель на p-n-p биполярных и полевых транзисторах с управляющим p-n переходом 2023
  • Кузнецов Дмитрий Владимирович
  • Чумаков Владислав Евгеньевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Фролов Илья Владимирович
RU2813281C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ 2010
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Никуличев Николай Николаевич
  • Наумов Максим Владимирович
RU2420861C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2015
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Бугакова Анна Витальевна
  • Пахомов Илья Викторович
RU2616573C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 615 070 C1

Реферат патента 2017 года ПРЕЦИЗИОННЫЙ ДВУХКАСКАДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии двухкаскадного ОУ до уровня 90÷400 дБ. Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1), общая эмиттерная цепь которого (2) связана с первой (3) шиной источника питания через источник опорного тока (4), первый (5) и второй (6) токовые выходы входного дифференциального каскада (1), первый (7) и второй (8) выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения (9), а эмиттеры через соответствующие первый (10) и второй (11) токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй (12) шиной источника питания, токовое зеркало (13), согласованное с первой (3) шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого (7) выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго (8) выходного транзистора и токовым выходом устройства (14). В качестве источника опорного тока (4) применяется управляемый по входу (15) источник опорного тока, причем управляющий вход (15) источника опорного тока (4) соединен с коллекторами первого (16) и второго (17) дополнительных транзисторов. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула изобретения RU 2 615 070 C1

1. Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1), общая эмиттерная цепь которого (2) связана с первой (3) шиной источника питания через источник опорного тока (4), первый (5) и второй (6) токовые выходы входного дифференциального каскада (1), первый (7) и второй (8) выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения (9), а эмиттеры через соответствующие первый (10) и второй (11) токостабилизирующие двухполюсник связаны со второй (12) шиной источника питания, токовое зеркало (13), согласованное с первой (3) шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого (7) выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго (8) выходного транзистора и токовым выходом устройства (14), отличающийся тем, что в качестве источника опорного тока (4) применяется управляемый по входу (15) источник опорного тока, причем управляющий вход (15) источника опорного тока (4) соединен с коллекторами первого (16) и второго (17) дополнительных транзисторов, база первого (16) дополнительного транзистора соединена с первым (5) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и через первый (18) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй (12) шиной источника питания, эмиттер первого (16) дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго (8) выходного транзистора, база второго (17) дополнительного транзистора соединена со вторым (6) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и через второй (19) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй (12) шиной источника питания.

2. Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель по п. 1, отличающийся тем, что источник опорного тока (4), управляемый по входу (15), содержит вспомогательный полевой транзистор с управляющим р-n переходом (24), затвор которого соединен с первой (3) шиной источника питания, исток связан с управляющим входом (15) источника опорного тока (4) и соединен с первой (3) шиной источника питания через вспомогательный резистор (25), причем сток вспомогательного полевого транзистора с управляющим р-n переходом (24) соединен с общей эмиттерной цепью (2) входного дифференциального каскада (1).

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2615070C1

ПРЕЦИЗИОННЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2010
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Гришков Виталий Николаевич
  • Солодко Михаил Владимирович
RU2433523C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2009
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Глушанин Сергей Валентинович
  • Морозов Сергей Анатольевич
RU2416151C1
УПРАВЛЯЕМЫЙ ДВУХКАСКАДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО СИНФАЗНОМУ СИГНАЛУ 2008
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Конев Даниил Николаевич
  • Серебряков Александр Игоревич
RU2384936C1
US 7215200 B1, 08.05.2007
JP 2002502139 A, 22.01.2002
Способ приготовления мыла 1923
  • Петров Г.С.
  • Таланцев З.М.
SU2004A1

RU 2 615 070 C1

Авторы

Прокопенко Николай Николаевич

Дворников Олег Владимирович

Бутырлагин Николай Владимирович

Бугакова Анна Витальевна

Серебряков Александр Игоревич

Даты

2017-04-03Публикация

2015-12-22Подача