×
14.05.2023
223.018.5643

Результат интеллектуальной деятельности: ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N ПЕРЕХОДОМ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: создание для различных JFET техпроцессов работоспособного операционного усилителя, который обеспечивает малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), а также повышенный коэффициент усиления (К) по напряжению. Для этого предложен дифференциальный операционный усилитель на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом, в отличие от прототипа в качестве всех полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, при этом исток первого (10) выходного полевого транзистора связан со второй (18) шиной источника питания через первый (15) вспомогательный резистор, исток третьего (13) выходного полевого транзистора связан со второй (18) шиной источника питания через второй (16) вспомогательный резистор, между объединенными затворами первого (10) и третьего (13) выходных полевых транзисторов и объединенными истоками второго (11) и четвертого (14) выходных полевых транзисторов включена цепь согласования потенциалов (19), а также предусмотрены другие новые элементы и связи. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в различных аналоговых и аналого-цифровых интерфейсах (активных RC-фильтрах, нормирующих преобразователях и т.п.), работающих в условиях низких температур и воздействия радиации.

В современной микроэлектронике достаточно популярны архитектуры двухкаскадных КМОП ОУ с симметричной активной нагрузкой (АН) в цепи противофазных токовых выходов входного дифференциального каскада. Причем в качестве входных КМОП транзисторов могут использоваться КМОП с n– и p–каналами [1-8].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель, представленный в патентной заявке фирмы Texas Instruments Incorporated US 2011/0012678, fig.4c,2011г.Он содержитпервый 1 и второй 2 входы устройства, основной токовый выход устройства 3, первый 4 и второй 5 входные полевые транзисторы, истоки которых объединены и подключены к первой 6 шине источника питания через источник опорного тока 7, затвор первого 4 входного полевого транзистора соединен с первым 1 входом устройства, затвор второго 5 входного полевого транзистора соединен со вторым 2 входом устройства, сток первого 4 входного полевого транзистора связан с первым 8 токовым выходом входного дифференциального каскада 9 на первом 4 и втором 5 входныхполевых транзисторах, а также соединен со стоком первого 10 выходного полевого транзистора и затвором второго 11 выходного полевого транзистора, сток второго 5 входного полевого транзистора связан со вторым 12 токовым выходом входного дифференциального каскада 9 на первом 4 и втором 5 входныхполевых транзисторах, а также соединен со стоком третьего 13 выходного полевого транзистора и затвором четвертого 14 выходного полевого транзистора, первый 15 и второй 16 вспомогательные резисторы, пятый 17 выходной полевой транзистор, причем сток четвертого 14 выходного полевого транзистора связан с основным токовым выходом устройства 3, а затворы первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов соединены друг с другом, причем истоки первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов согласованы со второй 18 шиной источника питания.

Существенный недостаток ОУ-прототипа фиг. 1, который относится к числу классических КМОП-схем современной микроэлектроники, состоит в том, что при его практической реализации по JFET (не КМОП) технологиям (Si, SiC, GaN, GaAs и др.) он оказывается неработоспособным. Это связано с тем, что полярность напряжения исток-затвор JFET противоположна полярности его напряжения исток-сток. Для построения JFET ОУ необходимы специальные схемотехнические решения, которые сегодня отсутствуют.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании для различных JFET техпроцессов (Si, SiC, GaN, GaAs и др.)работоспособного (при воздействии радиации и криогенных температур)операционного усилителя, который обеспечивает малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм), а также повышенный коэффициент усиления (Ку) по напряжению.

Поставленная задача достигается тем, что в ОУ фиг. 1, содержащемпервый 1 и второй 2 входы устройства, основной токовый выход устройства 3, первый 4 и второй 5 входные полевые транзисторы, истоки которых объединены и подключены к первой 6 шине источника питания через источник опорного тока 7, затвор первого 4 входного полевого транзистора соединен с первым 1 входом устройства, затвор второго 5 входного полевого транзистора соединен со вторым 2 входом устройства, сток первого 4 входного полевого транзистора связан с первым 8 токовым выходом входного дифференциального каскада 9 на первом 4 и втором 5 входныхполевых транзисторах, а также соединен со стоком первого 10 выходного полевого транзистора и затвором второго 11 выходного полевого транзистора, сток второго 5 входного полевого транзистора связан со вторым 12 токовым выходом входного дифференциального каскада 9 на первом 4 и втором 5 входныхполевых транзисторах, а также соединен со стоком третьего 13 выходного полевого транзистора и затвором четвертого 14 выходного полевого транзистора, первый 15 и второй 16 вспомогательные резисторы, пятый 17 выходной полевой транзистор, причем сток четвертого 14 выходного полевого транзистора связан с основным токовым выходом устройства 3, а затворы первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов соединены друг с другом, причем истоки первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов согласованы со второй 18 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи – в качестве всех полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом,исток первого 10 выходного полевого транзистора связан со второй 18 шиной источника питания через первый 15 вспомогательный резистор, исток третьего 13 выходного полевого транзистора связан со второй 18 шиной источника питания через второй 16 вспомогательный резистор, между объединенными затворами первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов и объединенными истоками второго 11 и четвертого 14 выходных полевых транзисторов включена цепь согласования потенциалов 19, к объединенным затворам первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторовподключен сток первого 20 дополнительного полевого транзистора, затвор которого соединен со второй 18 шиной источника питания, а исток подключен ко второй 18 шине источника питания через первый 21 дополнительный резистор, к объединенным затворам первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторовподключен сток второго 22 дополнительного полевого транзистора, затвор которого соединен со второй 18 шиной источника питания, а исток подключен ко второй 18 шине источника питания через второй 23 дополнительный резистор, сток пятого 17 выходного полевого транзистора соединен с первой 6 шиной источника питания, его затвор связан с основным токовым выходом устройства 3, а исток связан с основным токовым выходом устройства 3 через третий 24 дополнительный резистор, причем сток второго 11 выходного полевого транзистора согласован с общей шиной источника питания 25.

На чертеже фиг. 1 представлена схема ОУ-прототипа в структуре заявки на патент US фирмы Texas Instruments Incorporated 2011/0012678, 2011г., а на чертеже фиг. 2 –схема заявляемого JFet ОУ в соответствии с п. 1 и п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 показан статический режим заявляемой схемы ОУ фиг. 2 при t=-197°C в среде LTSpice на моделях JFET транзисторов АО «Интеграл» (г. Минск).

На чертеже фиг. 4 приведены амплитудно-частотные характеристикикоэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 3 при разных температурных режимах (t=0°C, t=27°C, t=-197°C).

На чертеже фиг. 5 представлена зависимость систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм) ОУ фиг. 3 в диапазоне температур от -197°С до 30°С.

На чертеже фиг. 6 показано влияние на систематическую составляющую напряжения смещения нуля (Uсм) схемы ОУ фиг. 3 потока нейтронов (Fn=1÷1015 н/см2).

Дифференциальный операционный усилитель на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входы устройства, основной токовый выход устройства 3, первый 4 и второй 5 входные полевые транзисторы, истоки которых объединены и подключены к первой 6 шине источника питания через источник опорного тока 7, затвор первого 4 входного полевого транзистора соединен с первым 1 входом устройства, затвор второго 5 входного полевого транзистора соединен со вторым 2 входом устройства, сток первого 4 входного полевого транзистора связан с первым 8 токовым выходом входного дифференциального каскада 9 на первом 4 и втором 5 входныхполевых транзисторах, а также соединен со стоком первого 10 выходного полевого транзистора и затвором второго 11 выходного полевого транзистора, сток второго 5 входного полевого транзистора связан со вторым 12 токовым выходом входного дифференциального каскада 9 на первом 4 и втором 5 входныхполевых транзисторах, а также соединен со стоком третьего 13 выходного полевого транзистора и затвором четвертого 14 выходного полевого транзистора, первый 15 и второй 16 вспомогательные резисторы, пятый 17 выходной полевой транзистор, причем сток четвертого 14 выходного полевого транзистора связан с основным токовым выходом устройства 3, а затворы первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов соединены друг с другом, причем истоки первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов согласованы со второй 18 шиной источника питания. Вкачестве всех полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом,исток первого 10 выходного полевого транзистора связан со второй 18 шиной источника питания через первый 15 вспомогательный резистор, исток третьего 13 выходного полевого транзистора связан со второй 18 шиной источника питания через второй 16 вспомогательный резистор, между объединенными затворами первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов и объединенными истоками второго 11 и четвертого 14 выходных полевых транзисторов включена цепь согласования потенциалов 19, к объединенным затворам первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторовподключен сток первого 20 дополнительного полевого транзистора, затвор которого соединен со второй 18 шиной источника питания, а исток подключен ко второй 18 шине источника питания через первый 21 дополнительный резистор, к объединенным затворам первого 10 и третьего 13 выходных полевыхтранзисторовподключен сток второго 22 дополнительного полевого транзистора, затвор которого соединен со второй 18 шиной источника питания, а исток подключен ко второй 18 шине источника питания через второй 23 дополнительный резистор, сток пятого 17 выходного полевого транзистора соединен с первой 6 шиной источника питания, его затвор связан с основным токовым выходом устройства 3, а исток связан с основным токовым выходом устройства 3 через третий 24 дополнительный резистор, причем сток второго 11 выходного полевого транзистора согласован с общей шиной источника питания 25.

Кроме того, на чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения,основной токовый выход устройства 3 подключен ко входу дополнительного буферного усилителя 26, выход которого 27 является дополнительным потенциальным выходом устройства.

Рассмотрим работу предлагаемого ОУ фиг. 2.

Операционный усилитель фиг. 2 содержит два основных каскада усиления. Первый из них выполнен на входном дифференциальном каскаде 9 с симметричной активной нагрузкой (АН) на первом 10 и третьем 13 выходных полевых транзисторах. Применение такой АН позволяет исключить из схемы ОУ типовые токовые зеркала, которые в базисе JFET элементов характеризуются крайне неудовлетворительными параметрами, существенно ухудшающими основные статические и динамические характеристики ОУ.

Статический режим по току входного дифференциального каскада 9 устанавливается источником опорного тока 7:I7=2I0, где I0 - заданное разработчиком значение статических токов первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов, а также токов первого 15 и второго 16 вспомогательных резисторов.

За счет отрицательной обратной связи по выходному синфазному напряжению входного дифференциального каскада 9, которая организуется через второй каскад усиления (второй 11 и четвертый 14 выходные полевые транзисторы), в схеме фиг. 2 выполняются равенства:

IR15=IR16=I0=0,5I7, (1)

Iс10=Iс13=I0=0,5I7, (2)

где Ici – ток стока i-го транзистора.

При этом напряжения сток-затвор первого 10 и третьего 13 выходных полевых транзисторов определяются формулой

Uзс.10=Uзс.13=Ud-Uзи.11(14), (3)

где Uзи.11(14) – напряжение затвор-исток второго 11 и четвертого 14 выходных полевых транзисторов при выбранном статическом токе I0*.

Таким образом, для обеспечения заданного значения Uзс.10=Uзс.13 необходимо соответствующим образом выбирать напряжение Udна цепи согласования потенциалов 19. В частном случае в качестве данного элемента 19 могут использоваться резисторы, стабилитроны или последовательно включенные p-n переходы.

Второй каскад усиления выполнен на втором 11, четвертом 14 выходных полевых транзисторах, первом 20, втором 22 дополнительных полевых транзисторах и пятом 17 выходном полевом транзисторе. Его заданный статический режим по току I0*устанавливается первым 20 и вторым 22 дополнительными полевыми транзисторами, а также первым 21 и вторым 23 дополнительными резисторами.

Динамической нагрузкой второго каскада усиления является источник опорного тока I0*, выполненной на пятом 17 полевом транзисторе и третьем 24 дополнительном резисторе по точно такой же схеме, что и источники опорного тока на первом 20 и втором 22 дополнительных полевых транзисторах. Такое схемотехническое решение позволяет минимизировать напряжение смещения нуля второго каскада усиления, которое приводится ко входу ОУ через коэффициент усиления первого каскада К01. При больших К01 в схеме ОУ фиг. 2 минимизируется общее напряжение смещения нуля, обусловленное Uвторого каскада. При этом коэффициент усиления по напряжению второго каскада

K02=Ri3S11-14, (4)

где Ri3 - эквивалентное сопротивление основного токового выхода устройства 3, S11-14 – эквивалентная крутизна дифференциального каскада на втором 11 и четвертом 14 выходных полевых транзисторах.Причем эквивалентная выходная проводимость в цепи основного токового выхода устройства 3

Таким образом, второй каскад усиления обеспечивает повышенные значения К02 (4) без применения токовых зеркал.

Для получения низкоомного потенциального выхода 27 в схеме фиг. 2 предусмотрен дополнительный буферный усилитель 26.

Результаты компьютерного моделирования (фиг. 3 – фиг. 6) показывают, что заявляемый ОУ работоспособен в диапазоне криогенных температур и воздействии потока нейтронов.

Таким образом, предлагаемый ОУ имеет ряд вышеназванных преимуществ в сравнении с ОУ-прототипом, позволяет получить малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля Uсм, приемлемые для многих применений значения Ку. За счет использования JFet обеспечивается высокая радиационная стойкость ОУ и его работоспособность в диапазоне криогенных температур. Предлагаемый ОУ может быть рекомендован для практического использования в космическом приборостроении и физике высоких энергий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 2011/0012678, 2011 г.

2. Патент US 8169263, 2012г., fig. 5

3. Патент US 7741911, 2010г., fig. 3

4. Патент US 6388522, 2002г., fig. 1

5. Патент RU 2651221, 2018 г., fig. 2

6. Патент US 7154335, 2006г., fig. 3

7. Патент US 6426676, 2002г., fig. 3

8. Патент US 2003/0075163, 2003 г., fig. 6

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-4 из 4.
16.05.2023
№223.018.6148

Операционный усилитель с «плавающим» входным дифференциальным каскадом на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом

Предполагаемое изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: создание радиационно-стойкого и низкотемпературного JFet операционного усилителя. Для этого предложен операционный усилитель с «плавающим» входным дифференциальным каскадом на комплементарных полевых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002741055
Дата охранного документа: 22.01.2021
16.05.2023
№223.018.6176

Радиационно-стойкий и низкотемпературный операционный усилитель на комплементарных полевых транзисторах

Изобретение относится к области радиотехники и аналоговой микроэлектроники. Технический результат: малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), а также повышенные коэффициент усиления (К) по напряжению и коэффициент ослабления входных синфазных сигналов (К)....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002741056
Дата охранного документа: 22.01.2021
20.05.2023
№223.018.65a4

Способ изготовления оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики новой фракции

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению высокопрочных режущих пластин из оксидно-кремниевой карбидной керамики. Может использоваться для оснащения режущего инструмента для обработки труднообрабатываемых сталей и материалов на металлообрабатывающих станках....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002748537
Дата охранного документа: 26.05.2021
16.06.2023
№223.018.7d2a

Дифференциальный каскад на комплементарных полевых транзисторах с повышенной температурной стабильностью статического режима

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: высокая стабильность статического режима входных транзисторов при воздействии отрицательных температур. Для этого предложен дифференциальный каскад на комплементарных полевых транзисторах, в котором третий (10) и четвертый...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002746888
Дата охранного документа: 21.04.2021
Показаны записи 71-80 из 216.
27.08.2016
№216.015.505c

Биполярно-полевой операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат заключается в расширении диапазона изменения выходного напряжения до уровней, близких к напряжениям на положительной и отрицательной шинах питания. Устройство содержит: входной дифференциальный каскад, общая истоковая цепь...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002595927
Дата охранного документа: 27.08.2016
27.08.2016
№216.015.50b8

Биполярно-полевой операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно к прецизионным устройствам усиления сигналов. Технический результат - повышение коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии ОУ до уровня 90÷100 дБ. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит первый (1)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002595926
Дата охранного документа: 27.08.2016
27.08.2016
№216.015.50ee

Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода

Изобретение относится к области радиоэлектроники в качестве быстродействующего устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в обеспечении более высоких уровней выходного тока «перегнутого каскода», это повышает быстродействие ОУ в режиме большого сигнала, уменьшает время...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002595923
Дата охранного документа: 27.08.2016
12.01.2017
№217.015.64cc

Биполярно-полевой операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат - повышение коэффициента усиления разомкнутого операционного усилителя. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад, общая истоковая цепь которого связана с первой шиной источника...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002589323
Дата охранного документа: 10.07.2016
13.01.2017
№217.015.65ae

Биполярно-полевой операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592429
Дата охранного документа: 20.07.2016
13.01.2017
№217.015.6622

Биполярно-полевой операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности усиления сигналов. Технический результат - уменьшение статического тока, потребляемого ОУ при отключенной нагрузке. Биполярно-полевой операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода содержит входной дифференциальный каскад,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592455
Дата охранного документа: 20.07.2016
13.01.2017
№217.015.8bc2

Дифференциальный усилитель двуполярных токов

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: создание энергоэкономичного устройства для усиления разности двух входных токов и подавления их синфазной составляющей. Для этого предложен дифференциальный усилитель двуполярных токов, который содержит первый и второй входы,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604683
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.8bfd

Rs-триггер

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики, связи и может использоваться в специализированных цифровых структурах, системах автоматического управления и передачи цифровой информации. Технический результат: заключается в повышении быстродействия систем обработки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604682
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.8c5d

Биполярно-полевой операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат - уменьшение напряжения смещения нуля. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад, общая истоковая цепь...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604684
Дата охранного документа: 10.12.2016
25.08.2017
№217.015.b3bb

Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона изменения выходного напряжения устройства до уровней, близких к напряжениям на положительной и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613842
Дата охранного документа: 21.03.2017
+ добавить свой РИД