ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ РАДИАЦИОННО СТОЙКОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
PRECISION OPERATIONAL AMPLIFIER BASED ON RADIATION RESISTANT BIPOLAR AND FIELD PROCESS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) на полевых и биполярных транзисторах, выполненные на основе архитектуры «перегнутого каскода» [1-14]. Их основные достоинства - расширенный частотный диапазон, а также эффективное использование напряжения питания.
см
13
2
Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно стойкие ОУ с малым напряжением смещения нуля (U) и повышенным коэффициентом усиления по напряжению (100-120 дБ). Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [15], обеспечивающего формирование p-канальных полевых и высококачественных n-p-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 10 н/см. Однако для таких ОУ необходима специальная схемотехника, учитывающая ограничения биполярно-полевой технологии [15].
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 5.422.600 fig. 1. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 2 шиной источника питания, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером первого 4 выходного транзистора и через первый 5 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером второго 8 выходного транзистора и через второй 9 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 4 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, выходной буферный усилитель 12, причем базы первого 4 и второго 8 выходных транзисторов связаны друг с другом.
см
у
Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что в диапазоне рабочих, прежде всего низких температур, а также при воздействии потока нейтронов он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля (U) (единицы-десятки милливольт). В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ. Кроме этого его коэффициент усиления по напряжению (K) получается небольшим.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля.
Первая дополнительная задача - повышение коэффициента усиления дифференциального сигнала ОУ в разомкнутом состоянии до уровня 130-140 дБ.
Вторая дополнительная задача - повышение коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ОУ.
Поставленные задачи достигаются тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 2 шиной источника питания, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером первого 4 выходного транзистора и через первый 5 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером второго 8 выходного транзистора и через второй 9 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 4 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, выходной буферный усилитель 12, причем базы первого 4 и второго 8 выходных транзисторов связаны друг с другом, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, объединенные истоки которых связаны с базами первого 4 и второго 8 выходных транзисторов и подключены к первой 2 шине источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 15, сток первого 13 дополнительного полевого транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала 16, согласованного со второй 6 шиной источника питания, а сток второго 14 дополнительного полевого транзистора соединен с выходом дополнительного токового зеркала 16 и входом выходного буферного усилителя 12.
На фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг. 3 показана схема фиг. 2 с конкретным выполнением выходного буферного усилителя 12.
На фиг. 4 приведена схема ОУ фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).
На фиг. 5 представлена амплитудно-частотная характеристика ОУ фиг. 4 при 100% отрицательной обратной связи.
На фиг. 6 показана амплитудно-частотная характеристика разомкнутого ОУ фиг. 4, из которой следует, что предлагаемая схема фиг.4 имеет повышенный коэффициент усиления по напряжению, близкий к 140 дБ (Kу=100.000.000).
см
На фиг. 7 приведена зависимость напряжения смещения нуля (U) схемы ОУ фиг. 4 от потока нейтронов.
На фиг. 8 показана зависимость напряжения смещения нуля схемы ОУ фиг. 4 в диапазоне температур от -60÷+80°C.
Прецизионный операционный усилитель на основе радиационно стойкого биполярно-полевого технологического процесса фиг. 2 содержит входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 2 шиной источника питания, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером первого 4 выходного транзистора и через первый 5 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером второго 8 выходного транзистора и через второй 9 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 4 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, выходной буферный усилитель 12, причем базы первого 4 и второго 8 выходных транзисторов связаны друг с другом. В схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, объединенные истоки которых связаны с базами первого 4 и второго 8 выходных транзисторов и подключены к первой 2 шине источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 15, сток первого 13 дополнительного полевого транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала 16, согласованного со второй 6 шиной источника питания, а сток второго 14 дополнительного полевого транзистора соединен с выходом дополнительного токового зеркала 16 и входом выходного буферного усилителя 12.
Кроме этого на фиг. 2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на входных полевых транзисторах 17 и 18, источнике опорного тока 19 и резисторе 20, который моделирует работу входного дифференциального каскада 1 при работе с входными синфазными сигналами. Выходом устройства 21 является выход буферного усилителя 12.
На фиг. 3 приведена схема, соответствующая фиг. 2, в которой инвертирующий выходной буферный усилитель 12 реализован в виде выходного транзистора 22 по схеме с общим эмиттером, источника тока 23 и неинвертируюшего каскада 24.
Рассмотрим работу ОУ фиг. 2.
Статический режим транзисторов схемы фиг. 2 устанавливается источниками опорного тока, выполненными в виде токостабилизирующих двухполюсников 10, 11 и 19. При этом токи стока и токи коллекторов транзисторов схемы определяются уравнениями
10
11
19
где I, I, I - токи двухполюсников 10, 11, 19.
Коэффициент усиления по напряжению схемы ОУ фиг. 2 определяется произведением
вых.
вх.
где u - приращение выходного напряжения ОУ, вызванное изменением входного напряжения (u);
вх
Σ1-Σ2
- коэффициент преобразования входного напряжения ОУ (u) в напряжение между узлами Σ1, Σ2 (u);
3
- коэффициент передачи дифференциального напряжения между узлами Σ1, Σ2 на вход буферного усилителя 12 (Σ);
Σ1-Σ2
u - приращение напряжения между высокоимпедансными узлами Σ1 и Σ2;
- коэффициент передачи по напряжению буферного усилителя 12;
Σ3
u - приращение напряжения в высокоимпедансном узле Σ3.
Причем
экв.Σ1-Σ2
где R - эквивалентное дифференциальное сопротивление между высокоимпедансными узлами Σ1 и Σ2;
экв.Σ3
R - эквивалентное сопротивление в высокоимпедансном узле Σ3;
13
14
17
18
S, S, S, S - крутизны стоко-затворной характеристики соответствующих полевых транзисторов (13, 14, 17, 18).
экв
Σ1-Σ2
экв
Σ3
у
Численное значение эквивалентного сопротивления R. близко к сопротивлениям закрытых коллекторов переходов выходных транзисторов 4 и 8, а сопротивление R. определяется, в основном, входным сопротивлением буферного усилителя 12. Как следствие, за счет создания в схеме фиг. 2 трех высокоимпедансных узлов (Σ1, Σ2, Σ3) коэффициент усиления по напряжению разомкнутого ОУ фиг. 2 получается достаточно большим (130-140 дБ) и на несколько порядков превышает K схемы прототипа (фиг. 1).
В заявляемой схеме ОУ (в сравнении с прототипом) повышается также коэффициент ослабления входных синфазных сигналов. Данный эффект объясняется повышенной симметрией схемы ОУ фиг. 2 и введением отрицательной обратной связи по синфазному сигналу (транзисторы 13 и 14). За счет высокой симметрии схемы ОУ и применения полевых транзисторов 13, 14 напряжение смещения нуля заявляемого ОУ измеряется микровольтами (фиг. 7, фиг. 8).
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ОУ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №5.422.600, фиг. 2.
2. Патент США №4.406.990, фиг. 4.
3. Патент США №5.952.882.
4. Патент США №4.723.111.
5. Патент США №4.293.824.
6. Патент США №5.323.121.
7. Патент США №5.420.540 fig. 1.
8. Патент RU №2.354.041 С1.
9. Патентная заявка США №2003/0201828 fig 1, fig 2.
10. Патент США №6.825.721 fig 1, fig 2.
11. Патент США №6.542.030 fig. 1.
12. Патент US 6.456.162, fig. 2.
13. Патент US 6.501.333.
14. Патент US 6.717.466.
15. 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.