Дифференциальный каскад на комплементарных полевых транзисторах
DIFFERENTIAL CASCADE ON COMPLEMENTARY FIELD-EFFECT TRANSISTORS

Изобретение относится к области радиотехники и связи  и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях (ОУ), компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п., в т.ч. работающих при низких температурах и воздействии радиации [1].
Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) на комплементарных транзисторах [2-28], в т.ч. на комплементарных КМОП полевых транзисторах [3-28] и  комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом (JFet) [2], которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем. В литературе по аналоговой микроэлектронике этот класс ДК имеет специальное обозначение – dual-input-stage [29].
Для работы при низких температурах при жестких ограничениях на уровень шумов перспективно использование JFet полевых транзисторов [30-32]. ДК данного класса активно применяются в структуре малошумящих аналоговых интерфейсов для обработки сигналов датчиков [33-35].
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является дифференциальный каскад, описанный в патенте US 5.291.149, fig.4, 1994г., который содержит первый 1 вход, соединенный с затвором первого 2 входного полевого транзистора, второй 3 вход, соединенный с затвором второго 4 входного полевого транзистора, первый 5 токовый выход, соединенный со стоком первого 2 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход, соединенный со стоком второго 4 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, третий 8 входной полевой транзистор, сток которого соединен с третьим 9 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, четвертый 11 входной полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым 12 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, причем каналы первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости, а каналы третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости.
1
2
гр
вых
вх
Первый существенный недостаток известного ДК фиг. 1 состоит в том, что статический режим его входных транзисторов определяется двумя источниками опорного тока I (I), которые, как правило, неидентичны. Это становится источником дополнительных погрешностей при усилении малых сигналов. Во-вторых,  в известном ДК при фиксированном токе потребления затруднено изменение напряжения ограничения U проходной характеристики i=f(u), которое оказывает существенное влияние на максимальную скорость нарастания выходного напряжения (SR) операционного усилителя с входным ДК фиг. 1 [36, 37]
,      (1)
1
гр
где f – частота единичного усиления скорректированного ОУ с входным ДУ фиг. 1, как правило, слабо зависящая от U.
Это не позволяет управлять численными значениями SR в конкретных схемах ОУ при заданных ограничениях на токопотребление, запас устойчивости по фазе, коэффициент усиления по напряжению и т.п.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых в ДУ фиг. 1 обеспечивается:
1
2
- более высокая стабильность статического режима ДУ при отрицательных температурах (до -197̊С) и изменении напряжений питания (в сравнении с ДУ фиг. 1 на основе классических источников опорного тока I, I);
гр
- возможность изменения напряжения ограничения проходной характеристики (U) по усмотрению разработчика (в зависимости от заданных значений SR) при фиксированном статическом токопотреблении.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном каскаде фиг. 1, содержащем первый 1 вход, соединенный с затвором первого 2 входного полевого транзистора, второй 3 вход, соединенный с затвором второго 4 входного полевого транзистора, первый 5 токовый выход, соединенный со стоком первого 2 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход, соединенный со стоком второго 4 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, третий 8 входной полевой транзистор, сток которого соединен с третьим 9 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, четвертый 11 входной полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым 12 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, причем каналы первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости, а каналы третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости, предусмотрены новые элементы и связи – между истоками третьего 8 и четвертого 11  входных полевых транзисторов включен первый 13 дополнительный резистор, между истоком третьего 8 входного полевого транзистора и истоком первого 2 входного полевого транзистора включен второй 14 дополнительный резистор, между истоком четвертого 11 входного полевого транзистора и истоком второго 4 входного полевого транзистора включен третий 15 дополнительный резистор, причем исток первого 2 входного полевого транзистора соединен с затвором четвертого 11 входного полевого транзистора, а исток второго 4 входного полевого транзистора соединен с затвором третьего 8 входного полевого транзистора.
На чертеже фиг. 1 представлена схема ДК-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого дифференциального каскада на комплементарных полевых транзисторах CJFET (ОАО «Интеграл», г. Минск) в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 показан статический режим ДК фиг. 2 при t=27ᵒC в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).
На чертеже фиг.  4 представлен статический режим ДК фиг. 2 приt=-197ᵒC в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).
out1
out2
out3
out4
in
На чертеже фиг. 5 приведены проходные характеристики ДК фиг. 3 при температуре 27ᵒС и разных сопротивлениях резистора R3*=10/100/1к/100к/1МОм для токовых выходов I, I, I, I при входном напряжении V3=V, изменяющимся в пределах  -5÷5В.
out1
out2
out3
out4
in
На чертеже фиг. 6 показаны проходные характеристики ДК фиг. 3 при температуре -197ᵒС и разных сопротивлениях резистора R3*=10/100/1к/100к/1МОм для токовых выходов I, I, I, Iпри входном напряжении V3=V, изменяющимся в пределах  -5÷5В.
На чертеже фиг. 7 представлена крутизна проходной характеристики Gm для токовых выходов в цепи стока полевых транзисторов J1, J2, J3, J4  ДК рис. 2 при разных температурах t= -197/-150/-125/-100/-75/-50/-30/0/27/30°С.
На чертеже фиг. 8 приведена схема заявляемого дифференциального каскада на комплементарных полевых транзисторах в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 9 показан статический режим ДК фиг. 8 при t=27ᵒC в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск) при сопротивлении резистора R20>>R13 (фиг. 8).
На чертеже фиг. 10 представлен статический режим ДК фиг. 8 при t=-197ᵒC в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск) при сопротивлении резистора R20>>R13 (фиг. 8).
out1
out2
out3
out4
in
На чертеже фиг. 11 приведены проходные характеристики ДК фиг. 9 при температуре 27ᵒС и разных сопротивлениях резистора R3*=100/1к/100к/1МОм для токовых выходов I, I, I, I при входном напряжении V3=V, изменяющимся в пределах  -5÷5В и сопротивлении резистора R20>>R13 (фиг. 8).
out1
out2
out3
out4
in
На чертеже фиг. 12 показаны проходные характеристики ДК фиг. 8 при температуре -197ᵒС и разных сопротивлениях резистора R3*=100/1к/100к/1МОм для токовых выходов I, I, I, I при входном напряжении V3=V,  изменяющимся в пределах  -5÷5В и сопротивлении резистора R20>>R13 (фиг. 8)
На чертеже фиг. 13 представлена крутизна проходной характеристики Gm для токовых выходов в цепи стока полевых транзисторов J1, J2 и J3, J4  ДК фиг. 9 при разных температурах t= -197/-150/-125/-100/-75/-50/-30/0/27/30°С.
Дифференциальный каскад на комплементарных полевых транзисторах фиг. 2 содержит первый 1 вход, соединенный с затвором первого 2 входного полевого транзистора, второй 3 вход, соединенный с затвором второго 4 входного полевого транзистора, первый 5 токовый выход, соединенный со стоком первого 2 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход, соединенный со стоком второго 4 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, третий 8 входной полевой транзистор, сток которого соединен с третьим 9 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, четвертый 11 входной полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым 12 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, причем каналы первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости, а каналы третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости. Между истоками третьего 8 и четвертого 11  входных полевых транзисторов включен первый 13 дополнительный резистор, между истоком третьего 8 входного полевого транзистора и истоком первого 2 входного полевого транзистора включен второй 14 дополнительный резистор, между истоком четвертого 11 входного полевого транзистора и истоком второго 4 входного полевого транзистора включен третий 15 дополнительный резистор, причем исток первого 2 входного полевого транзистора соединен с затвором четвертого 11 входного полевого транзистора, а исток второго 4 входного полевого транзистора соединен с затвором третьего 8 входного полевого транзистора.
На чертеже фиг. 2 в качестве элементов нагрузки первого 5, второго 7, третьего 9 и четвертого 12 токовых выходов ДК показаны соответствующие двухполюсники 16, 17, 18, 19. В  частном случае, например, в операционном усилителе на основе заявляемого ДК, это могут быть входные сопротивления классических токовых зеркал.
На чертеже фиг. 8, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, между затворами третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов включен четвертый 20 дополнительный резистор.
Рассмотрим работу ДУ фиг. 2.
В статическом режиме, например, при подключении первого 1 и второго 3 входов  ДК фиг. 2 к общей шине источников питания (6 и 10), первый 13 дополнительный резистор не влияет на статические токи истока всех полевых транзисторов схемы из-за ее симметрии. При этом
,    (2)
,    (3)
,  (4)
,  (5)
иi
где I – ток стока i-го полевого транзистора;
зи.8
зи.11
0
U, U – напряжение затвор-исток соответствующих третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов в рабочей точке при токе истока, равном I;
R14
R15
0
U=U – падение напряжения на втором 14 и третьем 15 дополнительных резисторах от тока I.
Таким образом, за счет выбора второго 14 и третьего 15 дополнительных резисторов обеспечивается идентичный заданный статический режим по току всех полевых транзисторов 2, 4, 8, 11 ДК фиг. 2:
.  (6)
1
2
Следует заметить, что статический режим ДК фиг. 2 практически не зависит от величины входного синфазного сигнала и изменений напряжений питания на первой 6 и второй 10 шинах. Это позволяет исключить из схемы ДК фиг. 2 традиционные источники опорного тока (I, I, фиг. 1), отрицательно влияющие на данные параметры при их простейшем построении.
вх
вх
вх
гр
Если на вход 1 подается положительное входное напряжение u относительно входа 3, то это вызывает увеличение тока через первый дополнительный резистор и уменьшение тока истока второго 4 и четвертого 11 входных полевых транзисторов. В пределе ток истока первого 2 входного полевого транзистора может принимать удвоенное значение относительно своего статического уровня при u=0. Численные значения сопротивлений второго 14 и третьего 15 дополнительных резисторов определяют напряжение ограничения проходной характеристики ДК фиг. 2: чем больше сопротивления дополнительных резисторов R14=R15, тем при большем входном напряжении u=U произойдет ограничение выходного тока ДК для первого 5 токового выхода. Об этом свидетельствуют графики фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, полученные для схемы фиг. 2.
гр
вх
гр
Аналогичным образом на напряжение ограничения U ДК фиг. 8 влияет четвертый 20 дополнительный резистор. Чем меньше его сопротивление, тем при меньших значениях входного напряжения u=U произойдет ограничение выходного тока ДК фиг. 8 для первого 5 токового выхода (фиг. 11, фиг. 12), а также других токовых выходов (7, 9, 12).
гр
Таким образом, первый 13 и четвертый 20 дополнительные резисторы определяют численные значения напряжения ограничения U предлагаемого дифференциального усилителя для всех его токовых выходов 5, 7, 9, 12.
Графики, представленные на чертежах фиг. 5, фиг. 6, фиг. 11, фиг. 12, снятые при разных температурах и численных значениях сопротивлений первого 13 и четвертого 20 дополнительных резисторов подтверждают сделанные выше качественные выводы.
гр
Результаты компьютерного моделирования в среде LTspice схем ДК фиг. 3 и фиг. 8 показывают, что на основе предлагаемого ДК реализуется широкий спектр проходных характеристик с разными численными значениями напряжения ограничения U для первого 5 и второго 7 токовых выходов, согласованных с первой 6 шиной источника питания, и третьего 9 и четвертого 12 токовых выходов, согласованных со второй 10 шиной источника питания. В итоге, это позволяет проектировать дифференциальные и мультидифференциальные операционные усилители с заданным (см. формулу (1)) быстродействием.
Графики фиг. 7 и фиг. 13 характеризуют температурную зависимость крутизны проходной характеристики ДК фиг. 3 и ДК фиг. 8, определяющей дифференциальный коэффициент усиления по напряжению в практических схемах ОУ на основе предлагаемых ДК.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными схемотехническими решениями ДК класса dual-input-stage [2-28], что позволяет рекомендовать его для практического использования в различных ОУ и построения низкотемпературных и радиационно-стойких аналоговых микросхем по техпроцессу CJFet ОАО «Интеграл» (г. Минск), а также комплементарному полевому технологическому процессу АО «НПП «Пульсар» (г. Москва).
Библиографический список
1. O. V. Dvornikov, V. L. Dziatlau, N. N. Prokopenko, K. O. Petrosiants, N. V. Kozhukhov and V. A. Tchekhovski, "The accounting of the simultaneous exposure of the low temperatures and the penetrating radiation at the circuit simulation of the BiJFET analog interfaces of the sensors," 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Astana, 2017, pp. 1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998507
2. Патент US 5.291.149 fig. 4, 1994 г.
1. Патент US 4.377.789, fig. 1, 1983 г.
2. Патентная заявка US 2006/0125522, 2006 г.
3. Патент US 7.907.011, 2011
4. US 2008/0024217, fig. 1, 2008 г.
5. Патент EP 0318263,1989 г.
6. Патент US 5.907.259, fig. 1, 1999 г.
7. Патент US 7.408.410, 2008 г.
8. Патент US 6.628.168, fig.2, 2003 г.
9. Патентная заявка US 2009/0302895, 2009 г.
10. Патент US 5.714.906, fig. 4, 1998 г.
11. Патент US 2005/0285677, 2005 г.
12. Патент US 5.070.306, fig. 3, 1991 г.
13. Патент US 2010/001797, 2010 г.
14. Патент US 6.972.623, fig. 4, fig. 6, 2005 г.
15. Патент US 2008/0252374, 2008 г.
16. Патент US 7.586.373, 2009 г.
17. Патент US 2006/0215787, 2006 г.
18. Патент US 7.453.319, 2008 г.
19. Патент US 2004/0174216, fig. 2, 2004 г.
20. Патент US 7.215.200, fig. 6, 2007 г.
21. Патент US № 6.433.637, fig. 2, 2002 г.
22. Патент US № 6.392.485, 2002 г.
23. Патент US 5.963.085, fig. 3, 1999 г.
24. Патент US 6.788.143, 2004 г.
25. Патент US 4.390.850, 1983 г.
26. Патент US 6.696.894, fig. 1, 2004 г.
29. N. N. Prokopenko, N. V. Butyrlagin, A. V. Bugakova and A. A. Ignashin, "Method for speeding the micropower CMOS operational amplifiers with dual-input-stages," 2017 24th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Batumi, 2017, pp. 78-81.
30. K. O. Petrosyants, M. R. Ismail-zade, L. M. Sambursky, O. V. Dvornikov, B. G. Lvov and I. A. Kharitonov, "Automation of parameter extraction procedure for Si JFET SPICE model in the −200…+110°C temperature range," 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), Moscow, 2018, pp. 1-5. DOI: 10.1109/MWENT.2018.8337212
31. Создание низкотемпературных аналоговых ИС для обработки импульсных сигналов датчиков. Часть 2 / О. Дворников, В. Чеховский,  В. Дятлов, Н. Прокопенко // Современная электроника, 2015, № 5. С. 24-28
32. O. V. Dvornikov, N. N. Prokopenko, N. V. Butyrlagin and I. V. Pakhomov, "The differential and differential difference operational amplifiers of sensor systems based on bipolar-field technological process AGAMC," 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Moscow, 2016, pp. 1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2016.7491792
33. Дворников О.В., Чеховский В.А., Дятлов В.Л., Прокопенко Н.Н. "Малошумящий электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов" Приборы и методы измерений, no. 2 (7), 2013, pp. 42-46.
34. Дворников О. Чеховский В., Дятлов В., Прокопенко Н. Применение структурных кристаллов для создания интерфейсов датчиков //Современная электроника. – 2014. – №. 1. – С. 32-37.
35. O. V. Dvornikov, A. V. Bugakova, N. N. Prokopenko, V. L. Dziatlau and I. V. Pakhomov, "The microcircuits MH2XA010-02/03 for signal processing of optoelectronic sensors," 2017 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Erlagol, 2017, pp. 396-402. DOI: 10.1109/EDM.2017.7981781
36. Прокопенко Н.Н. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах (монография) // Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. 222с.
37. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов: монография / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л.: «Энергия», 1979. - 148 с.