НЕИНВЕРТИРУЮЩЕЕ ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С УПРАВЛЯЮЩИМ PN-ПЕРЕХОДОМ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Российский патент 2020 года по МПК H03F3/45 H03F3/04 G05F3/26 

Описание патента на изобретение RU2720554C1

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве функционального узла аналоговых микросхем (например, дифференциальных (ОУ) и мультидифференциальных операционных усилителях (МОУ), компараторах и т.п.) для задач усиления и фильтрации сигналов, в том числе в диапазоне низких температур.

Основой современных микроэлектронных операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, компараторов и т.п.являются так называемые «токовые зеркала», обеспечивающие инверсию по фазе входного токового сигнала в широком диапазоне его изменения [1-21]. Качественные показатели практически всех современных аналоговых микросхем определяются статическими и динамическими параметрами токовых зеркал (ТЗ). Анализ существующих вариантов построения ТЗ представлен в [21]. Предполагаемое изобретения относится к данному подклассу устройств.

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является токовое зеркало, описанное в патенте фирмы Intel Corporation US №6.630.818 (fig. 4, 2003 г.), содержащее вход 1 и выход 2 устройства, согласованные с первой 3 шиной источника питания, первый 4 входной полевой транзистор исток которого связан со второй 5 шиной источника питания, а сток соединен со входом 1 устройства и затвором второго 6 входного полевого транзистора, выходной полевой транзистор 7 сток которого соединен с выходом 2 устройства, источник опорного тока 8.

Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно оказывается неработоспособным при реализации на JFet полевых транзисторах, обеспечивающих экстремально" малый уровень шумов, высокую радиационную стойкость и стабильную работу аналоговых микросхем в диапазоне криогенных температур. Кроме этого, оно имеет только инвертирующий выход. В тоже время для многих задач аналого-цифрового усиления и фильтрации сигналов крайне необходимы токовые зеркала, содержащие неинвертирующий токовых выход, для которого коэффициент передачи по входному току лежит в диапазоне 1-10 единиц. Такие функциональные узлы позволяют создавать высококачественные активные RC-фильтры, положительная обратная связь в которых замыкается через токовое зеркало.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании неинвертирующего токового зеркала на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для работы при низких температурах, обеспечивающего прецизионные неинвертирующие преобразования входного токового сигнала с коэффициентом передачи по току больше единицы.

Поставленная задача решается тем, что в токовом зеркале фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, согласованные с первой 3 шиной источника питания, первый 4 входной полевой транзистор исток которого связан со второй 5 шиной источника питания, а сток соединен со входом 1 устройства и затвором второго 6 входного полевого транзистора, выходной полевой транзистор 7 сток которого соединен с выходом 2 устройства, источник опорного тока 8, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве всех упомянутых выше полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим pn-переходом JFET, исток первого 4 JFET входного полевого транзистора связан со второй 5 шиной источника питания через источник опорного тока 8 и соединен со стоком второго 6 JFET входного полевого транзистора, затвор первого 4 JFET входного полевого транзистора связан со второй 5 шиной источника питания, исток выходного JFET полевого транзистора 7 соединен с истоком второго 6 JFET входного полевого транзистора, а его затвор подключен к источнику опорного напряжения 9.

На чертеже фиг. 1 представлена схема токового зеркала-прототипа по патенту US 6.630.818, fig.4, 2003, фирмы Intel Corporation.

На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 показана схема токового зеркала в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 3 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 5 представлена токовое зеркало в соответствии с п. 4 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 6 показан статический режим токового зеркала фиг. 2 при температуре -197°С в среде среда LTSpiceXVII на комплементарных полевых транзисторах ОАО «Интеграл» (г. Минск) при токах I1=100 mkA, I2=50 мкА.

На чертеже фиг. 7 приведены зависимости выходного тока токового зеркала фиг. 6 для разных температурных условий (27°С и -197°С) при токах I1=100 mkA, I2=0÷100 mkA.

На чертеже фиг. 8 показан статический режим токового зеркала фиг. 5 при температуре -197°С в среде среда LTSpiceXVII на комплементарных полевых транзисторах ОАО «Интеграл» (г.Минск) при I1=100 mkA, I2=50 мкА.

На чертеже фиг. 9 приведены зависимости выходного тока Iвых=IR1 от входного тока Iвх=I2 токового зеркала фиг. 8 для разных температурных условий (27°С и -197°С) при I1=100 mkA, I2=0÷100 mkA.

Токовое зеркало фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, согласованные с первой 3 шиной источника питания, первый 4 входной полевой транзистор исток которого связан со второй 5 шиной источника питания, а сток соединен со входом 1 устройства и затвором второго 6 входного полевого транзистора, выходной полевой транзистор 7 сток которого соединен с выходом 2 устройства, источник опорного тока 8. В качестве всех упомянутых выше полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим pn-переходом JFET, исток первого 4 JFET входного полевого транзистора связан со второй 5 шиной источника питания через источник опорного тока 8 и соединен со стоком второго 6 JFET входного полевого транзистора, затвор первого 4 JFET входного полевого транзистора связан со второй 5 шиной источника питания, исток выходного JFET полевого транзистора 7 соединен с истоком второго 6 JFET входного полевого транзистора, а его затвор подключен к источнику опорного напряжения 9. Двухполюсник 10 моделирует свойства нагрузки ТЗ, подключаемой к выходу 2 устройства.

Кроме этого, на чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, в качестве источника опорного напряжения 9 используется напряжение на второй 5 шине источника питания. Это упрощает схему устройства.

На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, в схему введен третий 11 JFET входной полевой транзистор, исток которого соединен с истоком второго 6 JFET входного полевого транзистора, затвор связан с затвором второго 6 JFET входного полевого транзистора, а сток подключен к первому 12 дополнительному инвертирующему выходу устройства. Двухполюсник RH2 моделирует свойства нагрузки, подключаемой к первому 12 дополнительному инвертирующему токовому выходу устройства.

На чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, первый 12 дополнительный инвертирующий токовый выход устройства связан со второй 5 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 13 и соединен с истоком второго 14 JFET выходного полевого транзистора, причем затвор второго 14 JFET выходного полевого транзистора соединен с второй 5 шиной источника питания, а сток подключен ко второму 15 дополнительному инвертирующему выходу устройства, согласованному с первой 3 шиной источника питания. Двухполюсник 16 моделирует свойства нагрузки ТЗ, подключаемой ко второму 15 дополнительному инвертирующему выходу устройства.

Рассмотрим работу ТЗ с учетом результатов его моделирования, представленных на чертежах фиг. 6 - фиг. 9.

Предлагаемое ТЗ имеет устойчивый статических режим (фиг. 6) при температуре до минус 197°С.

Зависимости выходного тока ТЗ фиг. 6, представленные на чертеже фиг. 7 для разных температурных условий (27°С и -197°С) в широком диапазоне изменения входных токов Iвх=I2=0÷100 мкА показывают, что предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность передачи тока на неинвертирующий выход. Известные ТЗ данным свойством не обладают.

Особенность схемы фиг. 8 состоит в том, что здесь по неинвертирующему токовому выходу коэффициент передачи по току строго равен двум единицам как при комнатных, так и при криогенных температурах. Это позволяет рекомендовать данную схему в прецизионных устройствах усиления и фильтрации сигнала.

Следует также заметить, что по реализуемой точности передачи тока и численных значениях коэффициента усиления, который зависит от числа параллельно включенных элементарных транзисторов в структуре третьего 11 составного JFET входного полевого транзистора (фиг. 4), предлагаемая схема ТЗ не имеет аналогов. Моделирование показывает, что данные качества сохраняются не только в диапазоне криогенных температур, но и при воздействии проникающей радиации.

Представленные на чертеже фиг. 9 зависимости выходного тока Iвых=IR1 от входного тока Iвх=I2 ТЗ фиг. 8 для разных температурных условий (27°С и -197°С), показывают, что данное устройство имеет не только неинвертирующеий токовый выход, а может также обеспечить инвертирующее преобразование входных сигналов относительно первого 12 и второго 15 дополнительных инвертирующих выходов. Это значительно расширяет функциональные возможности предлагаемого схемотехнического решения при его использовании в современной CJFet аналоговой схемотехнике.

Таким образом, заявляемо устройство имеет существенные преимущества в сравнении с аналогами.

Библиографический СПИСОК

1. Патент US №6.630.818, fig. 4, 2003 г.

2. Патент ЕР №2652872, fig. 2, 2015 г.

3. Патент US №7.869.285, fig. 1, 2011 г.

4. Патент US №7.312.651, 2007 г.

5. Патент RU №2544780, fig. 2, 2013 г.

6. Патент US №8.169.263, 2012 г.

7. Патент US №7.915.948, 2011 г.

8. Патент US №6.492.796, fig. 1, fig. 2, fig. 8, 2002 г.

9. Патент US №7.541.871, fig. 1, 2009 г.

10. Патент US №5.801.523, fig. 1, 1998 г.

11. Патент US №6.617.915, 2003 г.

12. Заявка на патент US №2007/0216484, fig. 15, 2007 г.

13. Патент US №6.639.452, fig. 1, 2003 г.

14. Патент US №5.515.010, 1996 г.

15. Заявка на патент US №200 6/02 3234 0, 2006 г.

16. Патент ЕР №1313211, fig. 3, 2001 г.

17. Патент US №6.842.050, fig. 3, 2005 г.

18. Патент US №6.980.054, fig. 7, 2005 г.

19. Авт. свид. SU 1529410, 1989 г.

20. Полезная модель 139042, 2014 г.

21. Токовые зеркала для проектирования КМОП аналоговых микросхем: основные модификации (ТЗ №1-№36) / Прокопенко Н.Н., Титов А.Е., Бутырлагин Н.В. // Библиотека схемотехнических решений. ИППМ РАН, 2019, С.1-29. URL: http://www.ippm.ru/data/eljrnal/рарег/J4.pdf (режим доступа свободный).

Похожие патенты RU2720554C1

название год авторы номер документа
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С УПРАВЛЯЮЩИМ PN-ПЕРЕХОДОМ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 2019
  • Бугакова Анна Витальевна
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Пахомов Илья Викторович
RU2720557C1
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 2019
  • Бугакова Анна Витальевна
  • Прокопенко Николай Николаевич
RU2720365C1
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКА ДЛЯ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АКТИВНЫХ RC-ФИЛЬТРОВ 2020
  • Бугакова Анна Витальевна
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Титов Алексей Евгеньевич
  • Клейменкин Дмитрий Владимирович
RU2727965C1
КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 2020
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Жук Алексей Андреевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Пахомов Илья Викторович
RU2736548C1
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ И РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЙ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N ПЕРЕХОДОМ 2020
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дроздов Дмитрий Геннадьевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Пахомов Илья Викторович
RU2732950C1
Дифференциальный каскад класса АВ с токовыми выходами, согласованными с разными шинами источников питания 2024
  • Клейменкин Дмитрий Владимирович
  • Сергеенко Марсель Алексеевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Макаренко Евгения Николаевна
RU2822991C1
Арсенид-галлиевый операционный усилитель с повышенным коэффициентом усиления и малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля 2023
  • Клейменкин Дмитрий Владимирович
  • Чумаков Владислав Евгеньевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
RU2820562C1
Арсенид-галлиевый операционный усилитель 2023
  • Клейменкин Дмитрий Владимирович
  • Фролов Илья Владимирович
  • Чумаков Владислав Евгеньевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
RU2813140C1
РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЙ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 2020
  • Бугакова Анна Витальевна
  • Жук Алексей Андреевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Чумаков Владислав Евгеньевич
RU2741056C1
Быстродействующий операционный усилитель с повышенной скоростью нарастания выходного напряжения 2018
  • Бугакова Анна Витальевна
  • Жук Алексей Андреевич
  • Бутырлагин Николай Владимирович
  • Прокопенко Николай Николаевич
RU2683160C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 720 554 C1

Реферат патента 2020 года НЕИНВЕРТИРУЮЩЕЕ ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С УПРАВЛЯЮЩИМ PN-ПЕРЕХОДОМ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в обеспечении неинвертирующего преобразования входного токового сигнала с коэффициентом передачи по току больше единицы. Токовое зеркало содержит вход и выход устройства, согласованные с первой шиной источника питания, первый входной полевой транзистор, исток которого связан со второй шиной источника питания, а сток соединен со входом устройства и затвором второго входного полевого транзистора, выходной полевой транзистор, сток которого соединен с выходом устройства, источник опорного тока. В качестве всех упомянутых выше полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим pn-переходом (JFET), исток первого JFET входного полевого транзистора связан со второй шиной источника питания через источник опорного тока и соединен со стоком второго JFET входного полевого транзистора, затвор первого JFET входного полевого транзистора связан со второй шиной источника питания, исток выходного JFET полевого транзистора соединен с истоком второго JFET входного полевого транзистора, а его затвор подключен к источнику опорного напряжения. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула изобретения RU 2 720 554 C1

1. Неинвертирующее токовое зеркало на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для работы при низких температурах, содержащее вход (1) и выход (2) устройства, согласованные с первой (3) шиной источника питания, первый (4) входной полевой транзистор, исток которого связан со второй (5) шиной источника питания, а сток соединен со входом (1) устройства и затвором второго (6) входного полевого транзистора, выходной полевой транзистор (7), сток которого соединен с выходом (2) устройства, источник опорного тока (8), отличающееся тем, что в качестве всех упомянутых выше полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим pn-переходом (JFET), исток первого (4) JFET входного полевого транзистора связан со второй (5) шиной источника питания через источник опорного тока (8) и соединен со стоком второго (6) JFET входного полевого транзистора, затвор первого (4) JFET входного полевого транзистора связан со второй (5) шиной источника питания, исток выходного JFET полевого транзистора (7) соединен с истоком второго (6) JFET входного полевого транзистора, а его затвор подключен к источнику опорного напряжения (9).

2. Неинвертирующее токовое зеркало по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника опорного напряжения (9) используется напряжение на второй (5) шине источника питания.

3. Неинвертирующее токовое зеркало по п.2, отличающееся тем, что в схему введен третий (11) JFET входной полевой транзистор, исток которого соединен с истоком второго (6) JFET входного полевого транзистора, затвор связан с затвором второго (6) JFET входного полевого транзистора, а сток подключен к первому (12) дополнительному инвертирующему выходу устройства.

4. Неинвертирующее токовое зеркало по п.3, отличающееся тем, что первый (12) дополнительный инвертирующий токовый выход устройства связан со второй (5) шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (13) и соединен с истоком второго (14) JFET выходного полевого транзистора, причем затвор второго (14) JFET выходного полевого транзистора соединен со второй (5) шиной источника питания, а сток подключен ко второму (15) дополнительному инвертирующему выходу устройства, согласованному с первой (3) шиной источника питания.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2020 года RU2720554C1

US 6630818 B1, 07.10.2003
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ 2010
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Серебряков Александр Игоревич
  • Косарев Владимир Владимирович
RU2419197C1
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 2016
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Игнашин Андрей Алексеевич
  • Пахомов Илья Викторович
  • Бугакова Анна Витальевна
RU2624565C1
US 7030696 B2, 18.04.2006.

RU 2 720 554 C1

Авторы

Бугакова Анна Витальевна

Прокопенко Николай Николаевич

Даты

2020-05-12Публикация

2019-11-21Подача