МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ РАДИАЦИОННО СТОЙКОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

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

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение мультидифференциальные операционные усилители (МОУ) на биполярных транзисторах [1-12]. На их основе реализуется новый класс устройств преобразования и усиления сигналов [13-18].

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно стойкие МОУ в устройствах преобразования сигналов различных сенсоров и т.п. Авторский опыт проектирования устройств данного класса [13-18] показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [19], 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.

В связи с особенностями архитектуры МОУ [13-18] в них подчеркивается влияние численных значений коэффициента усиления по напряжению (K_y) на параметры прецизионности МОУ в основных схемах включения [13-18], а также ухудшается коэффициент передачи входного синфазного сигнала (K_сн).

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является мультидифференциальный усилитель по патенту RST US 02/35579, fig. 6 (WO 03/043281). Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 входные параллельно-балансные дифференциальные каскады, первый 3 выходной транзистор, база которого соединена с первой группой синфазных выходов 4 и 5 первого 1 и второго 2 входных параллельно-балансных дифференциальных каскадов, второй 6 выходной транзистор, база которого соединена с противофазной второй группой синфазных выходов 7 и 8 первого 1 и второго 2 входных параллельно-балансных дифференциальных каскадов, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 3 выходного транзистора и вспомогательной шиной источника питания 10, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 6 выходного транзистора и вспомогательной шиной источника питания 10, первый 12 резистор нагрузки, включенный между первым 13 выходом устройства и первой 14 шиной источника питания, второй 15 резистор нагрузки, включенный между вторым 16 выходом устройства и первой 14 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного МОУ состоит в том, что он имеет сравнительно невысокий коэффициент усиления по напряжению для дифференциального выхода и, кроме этого, характеризуется повышенным коэффициентом передачи на выходы устройства 13 и 16 входного синфазного сигнала. В конечном итоге это снижает прецизионность известного МОУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании радиационно стойкого симметричного мультидифференциального усилителя для биполярно-полевого технологического процесса с повышенным коэффициентом усиления входного дифференциального сигнала. Дополнительная задача - уменьшить коэффициент передачи входного синфазного сигнала.

Поставленные задачи достигаются тем, что в дифференциальном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входные параллельно-балансные дифференциальные каскады, первый 3 выходной транзистор, база которого соединена с первой группой синфазных выходов 4 и 5 первого 1 и второго 2 входных параллельно-балансных дифференциальных каскадов, второй 6 выходной транзистор, база которого соединена с противофазной второй группой синфазных выходов 7 и 8 первого 1 и второго 2 входных параллельно-балансных дифференциальных каскадов, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 3 выходного транзистора и вспомогательной шиной источника питания 10, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 6 выходного транзистора и вспомогательной шиной источника питания 10, первый 12 резистор нагрузки, включенный между первым 13 выходом устройства и первой 14 шиной источника питания, второй 15 резистор нагрузки, включенный между вторым 16 выходом устройства и первой 14 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 17, второй 18 полевые транзисторы, истоки которых объединены и связаны с первой 14 шиной источника питания через первый 19 дополнительный резистор, первый 20 и второй 21 дополнительные биполярные транзисторы, коллекторы которых соединены с объединенными истоками первого 17 и второго 18 полевых транзисторов, база первого 20 дополнительного транзистора связана с базой первого 3 выходного транзистора и соединена со стоком первого 17 полевого транзистора, эмиттер первого 20 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, база второго 21 дополнительного транзистора подключена к базе второго 6 выходного транзистора и соединена со стоком второго 8 полевого транзистора, эмиттер второго 21 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 6 выходного транзистора, коллектор первого 3 выходного транзистора соединен с первым 13 выходом устройства, коллектор второго 6 выходного транзистора соединен со вторым 16 выходом устройства, причем затворы первого 17 и второго 18 полевых транзисторов связаны с первой 14 шиной источника питания.

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

На чертеже фиг. 3 приведена схема мультидифференциального ОУ фиг. 2 в среде Pspice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск) по п. 1 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 представлена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению МОУ фиг. 3 для первого 13 и второго 16 выходов устройства.

На чертеже фиг. 5 показана схема МОУ фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, в среде Pspice на моделях интегральных транзисторов АБМК13 НПО «Интеграл» (г. Минск) при включении резистора R9=100 Ом (согласующего резистора 22 - в обозначениях фиг. 2).

На чертеже фиг. 6 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению МОУ фиг. 5.

На чертеже фиг. 7 представлена схема МОУ фиг. 2 в среде Pspice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск) в соответствии п. 1 формулы изобретения в режиме для измерения коэффициентов передачи входного синфазного сигнала со входов Вх. 1, Вх. 2 на выходы устройства 13 и 16.

На чертеже фиг. 8 показана частотная зависимость коэффициента передачи входного синфазного сигнала напряжения схемы фиг. 7 для первого 13 и второго 16 выходов устройств.

На чертеже фиг. 9 представлена схема МОУ фиг. 2, в соответствии п. 2 формулы изобретения, в среде Pspice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск) в режиме для измерения коэффициентов передачи входного синфазного сигнала на выходы устройства 13 и 16.

На чертеже фиг. 10 показана частотная зависимость коэффициента передачи входного синфазного сигнала напряжения схемы фиг. 9 для первого 13 и второго 16 выходов устройств.

Мультидифференциальный усилитель для радиационно стойкого биполярно-полевого технологического процесса фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входные параллельно-балансные дифференциальные каскады, первый 3 выходной транзистор, база которого соединена с первой группой синфазных выходов 4 и 5 первого 1 и второго 2 входных параллельно-балансных дифференциальных каскадов, второй 6 выходной транзистор, база которого соединена с противофазной второй группой синфазных выходов 7 и 8 первого 1 и второго 2 входных параллельно-балансных дифференциальных каскадов, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 3 выходного транзистора и вспомогательной шиной источника питания 10, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 6 выходного транзистора и вспомогательной шиной источника питания 10, первый 12 резистор нагрузки, включенный между первым 13 выходом устройства и первой 14 шиной источника питания, второй 15 резистор нагрузки, включенный между вторым 16 выходом устройства и первой 14 шиной источника питания. В схему введены первый 17, второй 18 полевые транзисторы, истоки которых объединены и связаны с первой 14 шиной источника питания через первый 19 дополнительный резистор, первый 20 и второй 21 дополнительные биполярные транзисторы, коллекторы которых соединены с объединенными истоками первого 17 и второго 18 полевых транзисторов, база первого 20 дополнительного транзистора связана с базой первого 3 выходного транзистора и соединена со стоком первого 17 полевого транзистора, эмиттер первого 20 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, база второго 21 дополнительного транзистора подключена к базе второго 6 выходного транзистора и соединена со стоком второго 8 полевого транзистора, эмиттер второго 21 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 6 выходного транзистора, коллектор первого 3 выходного транзистора соединен с первым 13 выходом устройства, коллектор второго 6 выходного транзистора соединен со вторым 16 выходом устройства, причем затворы первого 17 и второго 18 полевых транзисторов связаны с первой 14 шиной источника питания.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, между эмиттерами первого 3 и второго 6 выходных транзисторов включен согласующий резистор 22.

В схеме фиг. 2 эмиттерные цепи входных параллельно-балансных дифференциальных каскадов связаны (в частном случае) со второй 23 шиной источника питания. Первый 1 входной параллельно-балансный дифференциальный каскад в данной схеме содержит транзисторы 24, 25, резистор местной отрицательной обратной связи 26 и токостабилизирующие двухполюсники 27, 28. Второй 2 входной параллельно-балансный дифференциальный каскад содержит транзисторы 29, 30, резистор местной отрицательной обратной связи 31 и токостабилизирующие двухполюсники 32, 33. Резисторы 34 и 35 соответствуют эквивалентным сопротивлениям в узлах «A» и «B» схемы фиг. 2.

Рассмотрим работу МОУ фиг. 2.

Коэффициент передачи по напряжению МОУ фиг. 2 со входов Вх.1, Вх.2 параллельно-балансного каскада 1 на выходы 13 и 16 определяется произведением:

где K₁ - коэффициент передачи по напряжению от дифференциального входа Вх.1 входного параллельно балансного каскада 1 в цепь стока транзисторов 17, 18;

K₂ - коэффициент передачи дифференциального напряжения между стоками транзисторов 17 и 18 (u_AB) на выходы устройства 13, 16. Причем

где R_A, R_B - эквивалентные дифференциальные сопротивления в узлах «A» и «B».

Таким образом

Для МОУ-прототипа фиг. 1 коэффициент усиления по напряжению

Следовательно, заявляемый МОУ имеет (при сохранении свойств симметрии) в N раз более высокий коэффициент усиления, где

Рассмотрим далее факторы, влияющие на коэффициент передачи входного синфазного напряжения (K_сн) первого 1 входного параллельно-балансного дифференциального каскада 1 на первый 13 и второй 16 выходы устройства. Для данного режима на входы Вх.1 и Вх.2 необходимо подать синфазные напряжения u_c (см. фиг. 7). По определению

где К_сн.1 - коэффициент преобразования входного синфазного напряжения u_с в выходное синфазное напряжение узлов «A» и «B»;

К_сн.2 - коэффициент преобразования синфазного напряжения в узлах «A» и «B» в выходное синфазное напряжение на первом 13 и втором 16 выходах устройства.

Причем

Если R_A=R_B, R_i27=R_i28, R₉=R₁₁,то

где R_i27, R_i28 - выходные сопротивления токостабилизирующих двухполюсников 27 и 28;

Т>>1 - усиление по петле отрицательной обратной связи по синфазному сигналу (ООС), которая образуется транзисторами 17, 18, 20, 21 и резисторами 9 и 11. Поэтому в схеме фиг.2 при T→∞

Для МОУ-прототипа фиг. 1

Таким образом, в заявляемой схеме за счет ООС при Т>>1 коэффициент передачи синфазного сигнала уменьшается в D раз, где

Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования МОУ (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 8, фиг. 10) показывают, что заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US 2008/0186091, fig. 4.

2. Патент US №5148721.

3. Патент US №5237526.

4. Патент US №5729161, fig. 2.

5. Патентная заявка US 2008/0032648, fig. 3.

6. Патент US №5045804, fig. 5.

7. Патент WO 03/043281, fig. 6.

8. Патентная заявка US 2003/0184377.

9. Ав.св. СССР 543946.

10. Патент US №3916215.

11. Патент US №4599572, fig. 2.

12. Патент RU 2513489.

13. Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., Хорунжий А.В. Нелинейные режимы в мультидифференциальных операционных усилителях // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов / под общ. ред. А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2008. С. 340-343.

14. Прокопенко Н.Н., Манжула В.Г., Белич С.С. Мультидифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля в условиях температурных и радиационных воздействий // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика, Телекоммуникации. Управление. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2010. №3 (101). - С. 204-206.

15. Крутчинский С.Г., Старченко Е.И. Мультидифференциальные усилители и прецизионная схемотехника // Электроника и связь, №21, том 9, 2004, Киев. - С. 101-107.

16. Прокопенко Н.Н., Бутырлагин Н.В., Пахомов И.В. Основные параметры и уравнения базовых схем включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2014. Сборник трудов. Часть 3 /под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2014. - С. 111-116.

17. Prokopenko N.N., Dvornikov O.V., Butyrlagin N.V., Bugakova A.V. The main connection circuits of the radiation-hardened differential difference amplifier based on the bipolar and field effect technological process // 2014 12th International conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE - 2014) proceedings in 7 Volumes; Novosibirsk, October 2-4, 2014. - Novosibirsk State Technical University. - Vol.1. - P. 29-34.

18. Прокопенко H.H., Будяков П.С., Бутырлагин H.B. Сверхвысокочастотные мультидифференциальные операционные усилители и основные схемы их включения (Circuit and connection design of microwave differential difference amplifiers) // 11-я Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения»: Саратов, 25-26 сентября 2014 г.: материалы конф. в 2 т. - Саратов: Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., 2014. - Т. 2. - С. 100-107.

19. 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.