РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЙ БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
RADIATION RESISTANT BUFFER AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве буферного усилителя аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, повторителях сигналов с высоким кпд и повышенным петлевым усилением, драйверов линий связи и т.п.).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят широкое применение буферные усилители (БУ) на основе p-n-p и n-p-n транзисторов - так называемые «бриллиантовые» транзисторы, которые выпускаются как в виде самостоятельных микросхем (BUF1, BUF600, LMH6321 и др.), так и в составе различных мостовых, входных и двухтактных выходных каскадов аналоговых устройств [1-22].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический буферный усилитель (фиг.1), представленный в патенте США №5.323.122 fig.2. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены ко входу 3 устройства, а эмиттеры соединены с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники связаны с первой 8 и второй 9 шинами источников питания, причем эмиттеры первого 4 и второго 5 выходных транзисторов связаны с выходом устройства 10.
вх
Существенный недостаток известного БУ состоит в том, что он характеризуется сильной зависимостью входного тока I от нестабильности коэффициентов усиления по току базы (β) входных p-n-p и n-p-n транзисторов. Так, при воздействии радиации значения β изменяются (по разным законам) в 5-10 раз и, как следствие, во столько же раз ухудшается входной ток БУ.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении входного тока в условиях воздействия радиации и/или температуры, а также технологических разбросов абсолютных значений β-транзисторов.
Поставленная цель достигается тем, что в буферном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены ко входу 3 устройства, а эмиттеры соединены с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники связаны с первой 8 и второй 9 шинами источников питания, причем эмиттеры первого 4 и второго 5 выходных транзисторов связаны с выходом устройства 10, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первой 8 и второй 9 шинами источников питания через первый 13 и второй 14 дополнительные токостабилизирующие двухполюсники, базы подключены к эмиттерам первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а коллекторы соединены со входом 3 устройства.
На фиг.1 показана схема БУ-прототипа.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 приведена схема БУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.5 показана схема БУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.6 представлена схема БУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
вх
n-p-n
p-n-p
Фиг.7 характеризует зависимость входного тока БУ фиг.4 и фиг.5 (I) при одновременном изменении β=β транзисторов.
p-n-p
n-p-n
На фиг.8 приведена зависимость входного тока БУ фиг.4 и фиг.5 для случая, когда изменяется только β транзисторов, a β=const.
n-p-n
p-n-p
Фиг.9 характеризует зависимость входного тока БУ фиг.4 и фиг.5 для случая, когда изменяется только β транзисторов, a β=const.
вх
На фиг.10 приведена одна из модификаций схемы заявляемого БУ со следящим питанием в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», имеющего малые входные токи (I=0,16 мкА).
Буферный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены ко входу 3 устройства, а эмиттеры соединены с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники связаны с первой 8 и второй 9 шинами источников питания, причем эмиттеры первого 4 и второго 5 выходных транзисторов связаны с выходом устройства 10. В схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первой 8 и второй 9 шинами источников питания через первый 13 и второй 14 дополнительные токостабилизирующие двухполюсники, базы подключены к эмиттерам первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а коллекторы соединены со входом 3 устройства.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве первого 6 и второго 7 токостабилизирующих двухполюсников, первого 13 и второго 14 дополнительных токостабилизирующих двухполюсников используются резисторы со слабой зависимостью сопротивления от уровня радиации, причем эмиттер первого 1 входного транзистора связан с первой 8 шиной источников питания через последовательно соединенные первый 6 токостабилизирующий двухполюсник и первый 15 дополнительный p-n переход, а эмиттер второго 2 входного транзистора связан со второй 9 шиной источников питания через последовательно соединенные второй 7 токостабилизирующий двухполюсник и второй 16 дополнительный p-n переход.
Рассмотрим работу схем БУ фиг.1 и фиг.2.
Входной ток БУ-прототипа фиг.1 зависит от токов базы транзисторов 1 и 2:
бi
эi
i
эi
i
Если учесть, что I=I/β, где I - ток эмиттера i-го транзистора, β - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора, то
1
2
При воздействии на БУ потока нейронов коэффициенты β и β ухудшаются в 5-10 раз, причем наиболее сильно изменяются величины β p-n-p транзисторов. Как следствие, входной ток БУ-прототипа также существенно увеличивается.
13
14
6
7
0
вх
В заявляемом устройстве фиг.2 при I=I=I=I=I=const входной ток БУ I определяется формулой
вх
d
h
I=I-I,
d
к12
б2
h
к11
б1
к12
0
б12
к11
0
б11
где I=I+I, I=I+I, I=I-I, I=I-I.
Таким образом, в заявляемой схеме фиг.2 входной ток БУ
Или после преобразований (3):
вх
Таким образом, входной ток в БУ фиг.2 определяется разницей коэффициентов усиления по току базы β двух однотипных транзисторов (n-p-n 12 и 2, p-n-p 1 и 11), которые в одинаковом статическом режиме близки по величине и имеют одинаковый закон изменения от дестабилизирующих факторов (например, радиации или температуры). В этой связи абсолютное значение I в условиях внешних воздействий в предлагаемой схеме уменьшается.
Данные выводы подтверждаются графиками фиг.7 - фиг.9, полученными в результате моделирования схем фиг.4 ÷ фиг.6:
n-p-n
p-n-p
- при одинаковой деградации β и β транзисторов входной ток заявляемого БУ всегда меньше, чем в БУ-прототипе (фиг.7);
n-p-n
p-n-p
- если β=const, то при уменьшении β транзисторов предлагаемый БУ имеет более низкие значения входного тока (фиг.8);
p-n-p
n-p-n
- если β=const, то при изменении β в 5-10 раз входной ток в БУ фиг.2 имеет более низкие величины, чем входной ток в БУ-прототипе (фиг.9).
Данные зависимости сохраняются и для случая, когда в качестве двухполюсников 6, 13, 7, 14 используются резисторы, например R=15 кОм фиг.6. Однако в этом варианте построения для повышения температурной стабильности необходимо включение дополнительных p-n переходов в соответствии с п.2 формулы изобретения (фиг.3).
p-n-p
n-p-n
13
12
6
7
вх
Входной ток БУ-прототипа при типовых значениях β и β транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» и I=I=2,2 мА, I=I=2 мА имеет величину 10,9 мкА. В заявляемом БУ, например, фиг.10 в таком же режиме I=0,16 мкА.
Таким образом, при «синфазном» применении β p-n-p и/или n-p-n транзисторов предлагаемый БУ имеет меньшие значения входных токов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент ЕР 0786858 fig.2
2. Патент ЕР 0318811 fig.2
3. Патентная заявка JP 2000183666
4. Патентная заявка JP 2000165158
5. Патентная заявка JP 2000106508
6. Патент JP 6204759
7. Патент JP 6310950
8. Патент JP 10163763
9. Патент JP 10022747
10. Патент РФ 2168263 фиг.1
11. Патент РФ 1506512
12. Патент США №5.049.653
13. ПатентСША №6.281.752
14. Патент США №4.780.689 fig.3
15. Патент США №6.452.451
16. Патент США №6.542.032
17. Патент США №6.535.063
18. ПатентСША №6.501.334 fig.1
19. Патент США №6.166.603 fig.1
20. Патент США №6.268.769
21. Патент США №6.160.451
22. Патент США №4.160.216 fig.4а