×
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

Показаны записи 151-160 из 245.
27.10.2015
№216.013.8a17

Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью

Изобретение относится к микросхемам СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя при использовании низкодобротных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002566954
Дата охранного документа: 27.10.2015
27.10.2015
№216.013.8a1d

Избирательный усилитель с высоким асимптотическим затуханием в диапазоне дорезонансных частот

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в расширении допустимого диапазона частот квазирезонанса f, зависящего от численных значений сопротивления первого частотозадающего резистора. Избирательный усилитель с высоким асимптотическим затуханием в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002566960
Дата охранного документа: 27.10.2015
27.10.2015
№216.013.8a20

Дифференциальный входной каскад быстродействующего операционного усилителя для кмоп-техпроцессов

Изобретение относится к схемам входных каскадов на КМОП-транзисторах. Технический результат: расширение диапазона активной работы дифференциального входного каскада. Исток первого входного транзистора соединен со стоком четвертого входного полевого транзистора через первый дополнительный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002566963
Дата охранного документа: 27.10.2015
27.10.2015
№216.013.8a21

Мультидифференциальный усилитель для радиационно стойкого биполярно-полевого технологического процесса

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат заключается в создании радиационно стойкого симметричного мультидифференциального усилителя для биполярно-полевого технологического процесса с повышенным коэффициентом усиления входного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002566964
Дата охранного документа: 27.10.2015
20.11.2015
№216.013.8f5c

Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов). Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот КУ...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568316
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f5d

Широкополосная цепь смещения статического уровня в транзисторных каскадах усиления и преобразования сигналов

Изобретение относится к области усилителей аналоговых ВЧ и СВЧ сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот цепи смещения статического уровня. Широкополосная цепь смещения статического уровня в транзисторных каскадах усиления и преобразования сигналов содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568317
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f5e

Мультидифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат заключается в уменьшении абсолютного значения U, а также его температурных и радиационных изменений, обусловленных дрейфом β транзисторов. Мультидифференциальный операционный усилитель с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568318
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8fa0

Прецизионный операционный усилитель на основе радиационно стойкого биполярно-полевого технологического процесса

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат заключается в уменьшении напряжения смещения нуля для повышения прецизионности операционного усилителя. Технический результат...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568384
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8fa1

K-значный логический элемент "максимум"

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики, связи и может использоваться в цифровых вычислительных структурах, системах автоматического управления, передачи и обработки цифровой информации. Техническим результатом является повышение быстродействия устройств...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568385
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.901b

Бытовой холодильник с отделением для горячих продуктов hotbox

Бытовой холодильник с отделением для горячих продуктов содержит холодильный шкаф, холодильные отделения, систему охлаждения, систему управления температурой в отделениях. Одно из отделений выполнено с двумя сквозными отверстиями, которые снабжены управляемыми герметичными заслонками и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568507
Дата охранного документа: 20.11.2015
Показаны записи 151-160 из 262.
20.01.2018
№218.016.1d98

Каскодный дифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении разомкнутого коэффициента усиления по напряжению операционного усилителя. Каскодный дифференциальный операционный усилитель содержит: входной дифференциальный каскад с общей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002640744
Дата охранного документа: 11.01.2018
13.02.2018
№218.016.205a

Широкополосный дифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат заключается в повышении верхней граничной частоты коэффициента усиления по напряжению без увеличения тока потребления. Усилитель содержит: первый входной дифференциальный каскад с первым и вторым токовыми выходами, общая...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641445
Дата охранного документа: 17.01.2018
13.02.2018
№218.016.213f

Интегральная индуктивность с расширенным частотным диапазоном

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в ВЧ и СВЧ устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре интегральных микросхем различного функционального назначения (например, избирательных усилителях, смесителях, генераторах и т.п.)....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002641719
Дата охранного документа: 22.01.2018
13.02.2018
№218.016.24ea

Компаратор токов с гистерезисом

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться в датчиковых системах, нейронных сетях, устройствах передачи информации. Технический результат заключается в обеспечении сравнения двух входных токовых сигналов I, I с гистерезисом по входу I и возможностью...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642339
Дата охранного документа: 24.01.2018
13.02.2018
№218.016.2531

Биполярно-полевой операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в расширении диапазона изменения отрицательного выходного напряжения ОУ до уровня, близкого к напряжению на второй (12) шине...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642337
Дата охранного документа: 24.01.2018
13.02.2018
№218.016.253b

Неинвертирующий усилитель переменного тока

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве неинвертирующего усилителя переменного тока с коэффициентом передачи по току больше единицы. Технический результат: повышение коэффициентов усиления по току до уровня, который превышает единичное значение....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642338
Дата охранного документа: 24.01.2018
04.04.2018
№218.016.350e

Измерительный мост с повышенным быстродействием

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в датчиковых системах для преобразования сигналов сенсоров (ускорения, давления, радиации и т.п.) в напряжение. Технический результат - повышение быстродействия. Измерительный мост с повышенным быстродействием...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002645867
Дата охранного документа: 28.02.2018
04.04.2018
№218.016.36b2

Асинхронный пиковый детектор

Изобретение относится к области измерительной техники. Технический результат заключается в повышении надежности асинхронного пикового детектора в режиме разряда запоминающих конденсаторов. Асинхронный пиковый детектор содержит аналоговый вход (1) и аналоговый выход (2), первый (3) прецизионный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646371
Дата охранного документа: 02.03.2018
10.05.2018
№218.016.4896

Дифференциальный усилитель токов

Изобретение относится к устройствам усиления широкополосных сигналов. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления по току ДУТ при сохранении у него опции rail-to-rail. Дифференциальный усилитель токов содержит первый, второй, третий и четвертый дополнительные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002651221
Дата охранного документа: 18.04.2018
10.05.2018
№218.016.4d3d

Быстродействующий дифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышении максимальной скорости нарастания выходного напряжения при работе входных транзисторов ОУ на основе трех токовых зеркал с микроамперными статическими токами. Технический результат достигается за...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002652504
Дата охранного документа: 26.04.2018
+ добавить свой РИД