Результат интеллектуальной деятельности: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ РАДИАЦИОННО-СТОЙКОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТЕХПРОЦЕССА

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

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) на полевых и биполярных транзисторах, которые содержат отрицательную обратную связь по синфазному сигналу [1-5].

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие ОУ с малым напряжением смещения нуля (U_см). Опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [6], 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.

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 3959733. Он содержит (фиг. 1) входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 противофазные токовые выходы которого соединены с первой 4 шиной источника питания через соответствующие первый 5 и второй 6 токостабилизирующие двухполюсники, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, коллекторы которых объединены и соединены со второй 9 шиной источника питания через третий 10 токостабилизирующий двухполюсник и связаны с общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, база транзистора 8 соединена со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, первый 12 выходной транзистор, база которого соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан со входом токового зеркала 13, согласованным со второй 9 шиной источника питания, второй 14 выходной транзистор, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан с выходом токового зеркала 13 и входом выходного буферного усилителя 15, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов, а также эмиттеры первого 12 и второго 14 выходных транзисторов связаны с первой 4 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что в диапазоне рабочих температур, а также при воздействии потока нейтронов он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля (U_см). В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля. Дополнительная задача - повышение коэффициента ослабления входного синфазного сигнала.

Поставленные задачи достигаются тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 противофазные токовые выходы которого соединены с первой 4 шиной источника питания через соответствующие первый 5 и второй 6 токостабилизирующие двухполюсники, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, коллекторы которых объединены и соединены со второй 9 шиной источника питания через третий 10 токостабилизирующий двухполюсник и связаны с общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, база транзистора 8 соединена со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, первый 12 выходной транзистор, база которого соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан со входом токового зеркала 13, согласованным со второй 9 шиной источника питания, второй 14 выходной транзистор, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан с выходом токового зеркала 13 и входом выходного буферного усилителя 15, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов, а также эмиттеры первого 12 и второго 14 выходных транзисторов связаны с первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 12 выходного транзистора связан со входом токового зеркала 13 через дополнительную цепь коррекции нулевого уровня 16.

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 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 2 формулы изобретения при конкретном выполнении дополнительного неинвертирующего усилителя тока 24.

На чертеже фиг. 5 приведена схема ОУ фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На чертеже фиг. 6 показана зависимость напряжения смещения нуля (Uсм) ОУ фиг. 5 при изменениях температуры в диапазоне t=-60…+120°C, токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА (в обозначениях фиг. 5), а также отсутствии дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 (нулевом напряжении между узлами 22, 23 U_22-23=V3=0 В).

На чертеже фиг. 7 показан график изменения напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 в диапазоне потока нейтронов Fn=0,2·10⁸…10¹⁸ н/м² и токах I3=3 мА, I1=I2=2 мА, при температуре окружающей среды t=27°C, а также отсутствии дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 (нулевом напряжении между узлами 22, 23 U_22-23=V3=0 В).

На чертеже фиг. 8 приведена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 при различных значениях напряжения U_22-23=V3=0…5 В на дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 и токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА, а также температуре окружающей среды t=27°C.

На чертеже фиг. 9 представлена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 при различных значениях напряжения U_22-23=V3=0…5 В на дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 и токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА, а также температуре окружающей среды t=-60°C.

На чертеже фиг. 10 показана зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 при различных значениях напряжения U_22-23=V3=0…5 В на дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 и токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА, а также температуре окружающей среды t=120°C.

На чертеже фиг. 11 приведена схема ОУ фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях транзисторов АБМК_1_3 для исследования свойств заявляемой схемы ОУ в широком диапазоне температур (t=-60…+120°C) и воздействии потока нейтронов.

На чертеже фиг. 12 представлена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 11 при различных значениях температуры t=-60…-420°C и токах I2=I1=1 мА, I3=3 мА.

На чертеже фиг. 13 показана зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 11 при воздействии потока нейтронов в диапазоне Fn=0,2·10⁸…10¹⁸ н/м² и токах I3=1.0741 мА, I1=I2=2 мА, а также температуре окружающей среды t=27°C.

На чертеже фиг. 14 представлены частные варианты практической реализации дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16.

Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого техпроцесса фиг. 2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 противофазные токовые выходы которого соединены с первой 4 шиной источника питания через соответствующие первый 5 и второй 6 токостабилизирующие двухполюсники, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, коллекторы которых объединены и соединены со второй 9 шиной источника питания через третий 10 токостабилизирующий двухполюсник и связаны с общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, база транзистора 8 соединена со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, первый 12 выходной транзистор, база которого соединена с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан со входом токового зеркала 13, согласованным со второй 9 шиной источника питания, второй 14 выходной транзистор, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор связан с выходом токового зеркала 13 и входом выходного буферного усилителя 15, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов, а также эмиттеры первого 12 и второго 14 выходных транзисторов связаны с первой 4 шиной источника питания. Коллектор первого 12 выходного транзистора связан со входом токового зеркала 13 через дополнительную цепь коррекции нулевого уровня 16.

Заявляемое устройство фиг. 2 имеет также выход 17, связанный с выходом выходного буферного усилителя 15. Входной параллельно-балансный каскад 1 в данной схеме реализован на полевых транзисторах 18 и 19 радиационно-стойкого АБМК_1_3. Входами устройства 20 и 21 являются затворы соответствующих транзисторов 18 и 19.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, коллекторы первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов связаны с общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1 через дополнительный неинвертирующий усилитель тока 24. Кроме этого, в схеме фиг. 3 дополнительная цепь коррекции нулевого уровня 16 имеет соответствующие выводы 22 и 23.

На чертеже фиг. 4, соответствующем чертежу фиг. 3, дополнительный неинвертирующий усилитель тока 24 реализован на полевом транзисторе 25, а третий 10 токостабилизирующий двухполюсник выполнен в виде резистора 26.

В схемах фиг. 14 дополнительная цепь коррекции нулевого уровня 16 реализуется на основе транзисторов 27 и 28 (а) или транзистора 29 и резисторов 30, 31 (б), или стабилитрона 32 (в). Возможны и другие специальные построения дополнительной цепи коррекции U_см 16, при которых в ОУ реализуются дополнительные эффекты компенсации U_см.

Рассмотрим работу МОУ фиг. 2.

Статический режим транзисторов схемы фиг. 2 устанавливается за счет цепи отрицательной обратной связи по синфазному сигналу, которая организуется транзисторами 7, 8, общей истоковой цепью 11 входного параллельно-балансного каскада 1, транзисторами 18, 19, а также первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами входного параллельно-балансного каскада 1. При этом токи стока и токи коллекторов транзисторов определяются уравнениями

где I₅, I₆, I₁₀ - токи двухполюсников 5, 6, 10.

Отрицательная обратная связь повышает коэффициент ослабления входного синфазного напряжения ОУ фиг. 2.

Анализ графиков фиг. 8, фиг. 9 и фиг. 10 показывает, что введение в схеме фиг. 2 дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16, в соответствии с п. 1 формулы изобретения, уменьшает U_см практически до нуля (независимо от воздействия температуры и потока нейтронов). Причем оптимальное значение напряжения V3=U_22-23 на дополнительной цепи коррекции нулевого уровня 16 соответствует величине напряжений питания .

Введение дополнительного неинвертирующего усилителя тока 24 увеличивает усиление по петле отрицательной обратной связи по синфазному сигналу и повышает синфазную помехоустойчивость ОУ [7].

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US №3959733.

2. Патент US №6157255.

3. Патент RU №2331970 fig. 1.

4. Патентная заявка US 2007/0096814.

5. Патент US №5610547.

6. 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.

7. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979. - 151 с.