РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ "НАПРЯЖЕНИЕ - ТОК"
RADIATION-RESISTANT VOLTAGE-TO-CURRENT CONVERTER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства преобразования аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях, перемножителях напряжения, компараторах и т.д.).
Известны схемы классических преобразователей «напряжение-ток» (ПНТ) на основе дифференциальных каскадов с симметричной нагрузкой в виде резисторов (или p-n переходов) и местной отрицательной обратной связью, которые нашли широкое применение в современных аналоговых микросхемах [1-22], например смесителях и перемножителях сигналов.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является преобразователь «напряжение-ток», описанный в патенте США №6531920, фиг.1, содержащий источник сигнала 1, включенный между базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, масштабирующий резистор 6, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 2 и второго 3 входных транзисторов и первым 8 и вторым 9 токовыми выходами устройства.
вх
8
9
min
13
14
2
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что погрешность его преобразования входного напряжения u в выходной ток (I, I) зависит от численных значений коэффициента усиления по току базы (β) входных транзисторов, который уменьшается в 5÷10 раз при воздействии потока нейтронов (F) и по литературным источникам при F=10÷10n/с·см для биполярных n-p-n транзисторов достигает значения β=5÷10.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в снижении ошибки преобразования входного напряжения в выходной ток в условиях радиации. Это позволяет создавать на базе таких ПНТ прецизионные аналоговые перемножители сигналов, например для систем СВЧ-связи.
Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе фиг.1, содержащем источник сигнала 1, включенный между базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, масштабирующий резистор 6, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 2 и второго 3 входных транзисторов и первым 8 и вторым 9 токовыми выходами устройства, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 дополнительные транзисторы, база первого 10 дополнительного транзистора соединена с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер первого 10 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого 2 входного транзистора, база второго 11 дополнительного транзистора подключена к первому 8 токовому выходу устройства, эмиттер второго 11 дополнительного транзистора соединен с коллектором первого 10 дополнительного транзистора, коллектор второго 11 дополнительного транзистора связан с источником питания 14, база третьего 12 дополнительного транзистора соединена с базой второго 3 входного транзистора, эмиттер третьего 12 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора, база четвертого 13 дополнительного транзистора подключена ко второму 9 токовому выходу устройства, эмиттер четвертого 13 дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего 12 дополнительного транзистора, коллектор четвертого 13 дополнительного транзистора связан с источником питания 14.
На фиг.1 представлена схема устройства-прототипа. Схема заявляемого устройства и ее статические токи показаны на фиг.2.
На фиг.3 показана схема фиг.2 и приращения токов, вызванные входным сигналом.
На фиг.4 показана схема фиг.2 для случая, когда транзисторы 2 и 10, а также 3 и 12 выполнены в виде двухколлекторных транзисторов с общей эмиттерной цепью.
На фиг.5 показана схема преобразователя «напряжение-ток», в котором за счет дополнительных дифференциальных каскадов 17 и 18 введена отрицательная обратная связь, что обеспечивает дальнейшее повышение точки преобразования
вх
вых
u в i схемы фиг.2.
На фиг.6 приведена схема ПНТ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.7 приведена схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
Результаты компьютерного моделирования схем фиг.6 и 7 приведены на фиг.8 и 9. При этом на фиг.8 β=40, а на фиг.9 β=4.
Преобразователь «напряжение-ток» фиг.2 содержит входной источник сигнала 1, включенный между базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, масштабирующий резистор 6, включенный между эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 2 и второго 3 входных транзисторов и первым 8 и вторым 9 токовыми выходами устройства. В схему введены первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 дополнительные транзисторы, база первого 10 дополнительного транзистора соединена с базой первого 2 входного транзистора, эмиттер первого 10 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого 2 входного транзистора, база второго 11 дополнительного транзистора подключена к первому 8 токовому выходу устройства, эмиттер второго 11 дополнительного транзистора соединен с коллектором первого 10 дополнительного транзистора, коллектор второго 11 дополнительного транзистора связан с источником питания 14, база третьего 12 дополнительного транзистора соединена с базой второго 3 входного транзистора, эмиттер третьего 12 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 3 входного транзистора, база четвертого 13 дополнительного транзистора подключена ко второму 9 токовому выходу устройства, эмиттер четвертого 13 дополнительного транзистора соединен с коллектором третьего 12 дополнительного транзистора, коллектор четвертого 13 дополнительного транзистора связан с источником питания 14.
В схеме фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, цепь нагрузки 7 связана с коллекторами первого 2 и второго 3 входных транзисторов через первый 15 и второй 16 р-n переходы.
вх
В схеме фиг.5 за счет введения дифференциальных каскадов 17 и 18 обеспечивается минимизация влияния сопротивлений эмиттера и базы транзисторов 2, 10 и 3, 12 на погрешность преобразования u в выходной ток.
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2 в статическом режиме, а затем схемы фиг.3 на переменном токе.
вх
8
9
В схеме фиг.2 при u=0 выходные токи I и I складываются из нескольких составляющих
э.i
б.i
где I(I) - статический ток эмиттера (ток базы) i-го транзистора.
Причем
i
где β - статический коэффициент усиления по току базы i-го транзистора;
4
5
I, I - токи двухполюсников 4 и 5.
Таким образом, с учетом (3) можно найти
вх
8
9
Из (4) и (5) следует, что существенная (но идентичная) деградация β транзисторов 11 и 2, 13 и 3 не приводит к дополнительной статической ошибке δI преобразования u в токи I и I
где
В ПНТ-прототипе фиг.1
2
3
Если принять, что при повышенной радиации β транзисторов уменьшается (β=β=10), то относительная ошибка преобразования в ПНТ фиг.1 достигает 10%, а в заявляемом устройстве как минимум на порядок меньше.
вх
6
э2
э3
Аналогичные выводы о погрешности преобразования u на переменном токе можно сделать в результате анализа схемы фиг.3, для которой при R»r≈r переменные составляющие выходных токов
где
6
R - сопротивление резистора 6;
- сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 2 и 3.
Таким образом, переменные токи выходов 8 и 9
вх
вых
Следовательно, относительная погрешность крутизны преобразования u в i в схеме фиг.3 получается достаточно малой
вх
Полученные выше теоретические выводы совпадают с результатами компьютерного моделирования схемы фиг.7 - абсолютная погрешность преобразования тока через резистор 6, пропорционального u, в выходной ток предлагаемого ПНТ в 7-10 раз меньше, чем в ПНТ-прототипе. При этом эффект воздействия радиации в схемах моделировался существенным снижением β транзисторов (фиг.8 - β=40, фиг.9 - β=4).
В частном случае коллекторы транзисторов 11 и 13 могут быть использованы как дополнительные токовые выходы ПНТ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №5666888.
2. Патент США №5767741.
3. Патентная заявка 20020053935.
4. Патент США №5550.512.
5. Патент США 5256984.
6. Патент США №4439696.
7. А.св. СССР 600545.
8. Патент США 5389893.
9. Патент США 5914639.
10. Патент США 5521544.
11. Патент США №4721920.
12. Патентная заявка 20040251965 А1.
13. Патент США №5065112.
14. Патент США №5521544.
15. Патент США №4288707.
16. Патент США №5774020.
17. Патент США №4498053.
18. Патент США №5610547, фиг.19.
19. Патент США №6369618, фиг.2.
20. Патент США №6111463, фиг.1.
21. Патент США №5610547.
22. Патент США 4385364.