×
13.01.2017
217.015.65ae

Результат интеллектуальной деятельности: БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ "ПЕРЕГНУТОГО" КАСКОДА

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: 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.

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 (Uсм) 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 Ec, 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 (Uсм) (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 Ud17≈Uэб.7, Ud18≈Uэб.11, где Uэб.i - напряжения эмиттер-база первого 7 и второго 11 выходных транзисторов. При этом токи стока (Ici) входных полевых транзисторов 22 и 23 и токи коллекторов (iкс) первого 7 и второго 11 выходных транзисторов (при их коэффициентах усиления по току базы β>>1) определяются уравнениями Кирхгофа:

где I21, I17, I18, IR8, IR12 - 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 Iс22, Ic23 - токи стока транзисторов 22 и 23,

Iк7, Iк11 - токи коллекторов транзисторов 7 и 11.

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

где IEc - статический ток источника смещения Ec.

Следует заметить, что источник Ec 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.


БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 101-110 of 245 items.
27.08.2014
№216.012.efc7

Широкополосный усилитель мощности

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является уменьшение уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом. Широкополосный усилитель мощности содержит неинвертирующий выходной каскад (1),...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002527202
Дата охранного документа: 27.08.2014
10.10.2014
№216.012.fb9d

Управляемый усилитель и аналоговый смеситель сигналов

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах умножения частоты. Достигаемый технический результат: получение на выходе не только амплитудных изменений выходного сигнала под...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002530259
Дата охранного документа: 10.10.2014
10.10.2014
№216.012.fb9e

Температурно стабильный источник опорного напряжения на основе стабилитрона

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Техническим результатом является повышение температурной стабильности выходного напряжения....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002530260
Дата охранного документа: 10.10.2014
10.10.2014
№216.012.fba0

Быстродействующий аттенюатор для входных цепей аналого-цифровых интерфейсов

Изобретение относится к области электротехники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных интерфейсов, измерительных приборах. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот устройства и повышении его быстродействия при работе с импульсными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002530262
Дата охранного документа: 10.10.2014
10.10.2014
№216.012.fba1

Быстродействующий истоковый повторитель напряжения

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в различных аналоговых устройствах на полевых и биполярных транзисторах в качестве выходного (буферного) усилителя. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот ИПН при наличии емкости на выходе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002530263
Дата охранного документа: 10.10.2014
27.11.2014
№216.013.0be7

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Датчик физических величин с потенциальным выходом содержит сенсор (1) с внутренней емкостью (2) и внутренним...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002534455
Дата охранного документа: 27.11.2014
10.12.2014
№216.013.0d0d

Трансрезистивный усилитель с парафазным выходом для преобразования сигналов лавинных фотодиодов

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в системах обработки оптической информации. Технический результат: расширение допустимого диапазона изменения сопротивления передачи R. Устройство содержит первый (1) и второй (2) токовые входы, первый (3) и второй (4)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002534758
Дата охранного документа: 10.12.2014
10.12.2014
№216.013.0d0e

Устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и электропитания системы мониторинга автономного объекта

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и связано с практическим использованием микромощных возобновляемых источников энергии, в частности энергии электростатического заряда, возникающего на поверхности полимерных материалов, например специальной одежде и т.п. Технический...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002534759
Дата охранного документа: 10.12.2014
10.12.2014
№216.013.0de3

Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для прецизионного усиления по мощности аналоговых сигналов, в структурах неинвертирующих усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения, в том числе ВЧ- и СВЧ-диапазонов....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002534972
Дата охранного документа: 10.12.2014
10.12.2014
№216.013.0eb3

Дифференциальный аттенюатор с расширенным диапазоном рабочих частот

Изобретение относится к устройству дифференциального аттенюатора. Техническим результатом является повышение быстродействия устройства при работе с импульсными противофазными сигналами большой амплитуды. Устройство содержит первый (1) вход, первый (2) выход, первый (3) резистор, второй (4)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002535180
Дата охранного документа: 10.12.2014
Showing 101-110 of 262 items.
20.04.2016
№216.015.3340

Оптико-электронное устройство для измерения концентрации газов

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для систем автоматического измерения концентрации газов. Устройство для измерения концентрации газов содержит химический поглотительный патрон, оптическую систему, состоящую из конденсорной линзы,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582307
Дата охранного документа: 20.04.2016
20.04.2016
№216.015.33ad

Оптико-электронное устройство для контроля качества моторного масла

Изобретение относится к технике измерений и может использоваться в автомобильной, сельскохозяйственной, авиационной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла. Оптико-электронное устройство для контроля качества...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582296
Дата охранного документа: 20.04.2016
27.04.2016
№216.015.37d1

Мини-машина для скалывания наледи

Изобретение относится к коммунальному хозяйству, в частности к средствам удаления наледи в стесненных условиях придомовой территории. Мини-машина для скалывания наледи содержит раму (1) на колесах (2), соединенный с рамой (1) посредством пружины (3) рабочий орган клиновидного типа (4) и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582369
Дата охранного документа: 27.04.2016
10.05.2016
№216.015.3b0f

Устройство для предотвращения опрокидывания транспортного средства

Изобретение относится к транспортному машиностроению. Устройство для предотвращения опрокидывания транспортного средства расположено в верхней части кузова и содержит датчик углового положения транспортного средства, источник питания, соединенный с пиропатроном газогенератора, подключенного к...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583822
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3b22

Крепь подземного сооружения

Изобретение относится к подземному строительству, в частности к конструкциям крепи заглубленных сооружений, и может быть использовано в стволах метрополитенов, угольных шахт и рудников, а также в вертикальных выработках подземной инфраструктуры городов. Задачей изобретения является создание...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583800
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3bea

Устройство анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами

Изобретение относится к технике измерений, может использоваться в автомобильной, сельскохозяйственной, авиационной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла. Устройство анализа загрязненности моторного масла...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583344
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3c9b

Биполярно-полевой операционный усилитель

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении стабильности статического режима операционного усилителя. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит входной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583760
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.3cc4

Способ анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами

Изобретение относится к технике измерений, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла. Способ анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами включает зондирование исследуемой дисперсной среды пучком маломощного лазерного и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583351
Дата охранного документа: 10.05.2016
20.05.2016
№216.015.3fb2

Крепь заглубленного сооружения

Изобретение относится к подземному строительству, в частности к конструкциям крепи выработок, и может быть использовано в стволах шахт и рудников, а также в вертикальных выработках подземной инфраструктуры городов. Технический результат заключается в создании конструкции крепи, позволяющей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584174
Дата охранного документа: 20.05.2016
20.06.2016
№216.015.48a6

Устройство для повышения прочности кузова транспортного средства при опрокидывании

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Устройство для повышения прочности кузова транспортного средства при опрокидывании содержит датчик углового положения транспортного средства, подключенный к источнику постоянного тока - аккумулятору. При наличии сигнала...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587775
Дата охранного документа: 20.06.2016
+ добавить свой РИД