×
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 231-240 из 245.
26.08.2017
№217.015.dd99

Многозначный триггер

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в повышении быстродействия специализированных вычислителей таких как многозначный триггер. Указанный результат достигается за счет использования многозначного триггера, который содержит первый логический...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002624581
Дата охранного документа: 04.07.2017
26.08.2017
№217.015.e595

Многоканальный быстродействующий операционный усилитель

Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники. Технический результат: повышение быстродействия ОУ в режиме большого сигнала до уровня 20000 В/мкс. Это обеспечивается за счет исключения динамической перегрузки промежуточного каскада ОУ, выполненного в виде комплементарных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002626667
Дата охранного документа: 31.07.2017
26.08.2017
№217.015.e5ac

Rlc-избирательный усилитель с малым напряжением питания

Изобретение относится к аналоговой микроэлектронике и радиотехнике и может быть использовано в качестве устройства усиления малых сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов. Технический результат заключается в повышении качества амплитудно-частотной характеристики устройства без увеличения напряжения питания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002626665
Дата охранного документа: 31.07.2017
26.08.2017
№217.015.e789

Низкотемпературный радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат: уменьшение систематической составляющей напряжения смещения нуля, а также создание условий для применения в схеме заявляемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627094
Дата охранного документа: 03.08.2017
26.08.2017
№217.015.e9ea

Радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель для работы при низких температурах

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат заключается в уменьшении систематической составляющей напряжения смещения нуля. Радиационно-стойкий мультидифференциальный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002628131
Дата охранного документа: 15.08.2017
29.12.2017
№217.015.f52a

Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала

Изобретение относится к области электроники и радиотехники. Технический результат: уменьшение коэффициента передачи входного синфазного сигнала. Технический результат достигается за счет новых элементов и связей, введенных в дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637465
Дата охранного документа: 04.12.2017
20.01.2018
№218.016.1d8f

Токовый элемент ограничения многозначной выходной логической переменной

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики и может использоваться в различных цифровых структурах и системах автоматического управления и передачи информации. Технический результат заключается в возможности в рамках одной и той же архитектуры реализовывать две...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002640740
Дата охранного документа: 11.01.2018
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
Показаны записи 231-240 из 262.
04.05.2020
№220.018.1b9f

Токовое зеркало для работы при низких температурах

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в создании как инвертирующего, так и неинвертирующего токового зеркала на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом для работы при низких температурах, обеспечивающего для разных выходов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002720365
Дата охранного документа: 29.04.2020
14.05.2020
№220.018.1bf5

Промежуточный каскад операционного усилителя с парафазным выходом на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом

Изобретение относится к области радиотехники и микроэлектроники и может быть использовано в аналоговых микросхемах и аналого-цифровых интерфейсах датчиков. Технический результат заключается в создании стабильно работающего промежуточного каскада с повышенными коэффициентами усиления по току с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002720555
Дата охранного документа: 12.05.2020
14.05.2020
№220.018.1c03

Активный rc-фильтр нижних частот с одноэлементной перестройкой частоты полюса на дифференциальном и двух мультидифференциальных операционных усилителях

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в качестве ограничителей спектра, включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения. Технический результат заключается в обеспечении перестройки амплитудно-частотной характеристики ФНЧ без изменения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002720559
Дата охранного документа: 12.05.2020
14.05.2020
№220.018.1c41

Многофункциональное токовое зеркало на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для работы при низких температурах

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002720557
Дата охранного документа: 12.05.2020
14.05.2020
№220.018.1c59

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002720554
Дата охранного документа: 12.05.2020
14.05.2020
№220.018.1c66

Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала с аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат заключается в обеспечении низкой параметрической чувствительности при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002720558
Дата охранного документа: 12.05.2020
20.05.2020
№220.018.1ddc

Фильтр нижних частот третьего порядка с минимальным количеством конденсаторов на порядок

Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является уменьшение числа конденсаторов в схеме ФНЧ и увеличение гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики. Изобретение представляет собой фильтр нижних частот третьего порядка с минимальным количеством...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002721155
Дата охранного документа: 18.05.2020
21.05.2020
№220.018.1e71

Универсальный программируемый arc- фильтр на основе матриц r-2r

Изобретение относится к средствам измерительной техники и может использоваться в качестве перестраиваемых ограничителей спектра, включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения. Технический результат заключается в повышении стабильности реализуемой добротности....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002721405
Дата охранного документа: 19.05.2020
21.05.2020
№220.018.1e72

Активный rc-фильтр с независимой подстройкой основных параметров

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат: создание схемы полосового фильтра с более низкой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002721404
Дата охранного документа: 19.05.2020
27.05.2020
№220.018.20ee

Входной каскад дифференциального операционного усилителя с парафазным выходом на комплементарных полевых транзисторах

Изобретение относится к области радиотехники и аналоговой микроэлектроники. Технический результат заключается в обеспечении работоспособности ВК и ОУ на его основе в диапазоне криогенных температур и воздействии проникающей радиации, а также получении повышенных значений дифференциального...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002721945
Дата охранного документа: 25.05.2020
+ добавить свой РИД