БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
BIPOLAR-FIELD OPERATIONAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) на полевых и биполярных транзисторах, в которых выходными напряжениями входного каскодного дифференциального каскада являются напряжения не на стоках, а на истоках выходных транзисторов [1-5]. Они имеют ряд преимуществ (в сравнении с классическими ОУ) по диапазону рабочих частот, нелинейным искажениям, быстродействию и т.п. Заявляемый ОУ относится к данному подклассу устройств.
см
13
2
Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие ОУ с высокой стабильностью статического режима и малым напряжением смещения нуля (U). Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [6], 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 [6].
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 5.218.319, который также присутствует в патентах US 6.756.847, fig. 1, US 5.914.639. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1, общая истоковая цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 входы входного дифференциального каскада 1, первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с истоком первого 7 выходного полевого транзистора и первым входом 8 выходного дифференциального каскада 9, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с истоком второго 11 выходного полевого транзистора и вторым 12 входом выходного дифференциального каскада 9, вторую 13 шину источника питания, которая связана с объединенными стоками первого 7 и второго 11 выходных полевых транзисторов, общую эмиттерную цепь 14 выходного дифференциального каскада 9, цепь динамической нагрузки 15, согласованную с первой 3 шиной источника питания, вход которой 16 соединен с первым 17 токовым выходом выходного дифференциального каскада 9, а выход 18 связан с выходом устройства 19 и вторым 20 токовым выходом выходного дифференциального каскада 9.
6
10
14
14
Существенный недостаток ОУ-прототипа состоит в том, что уровень выходного синфазного напряжения входного дифференциального каскада 1 (напряжения U, U - на токовых выходах 6 и 10) существенно зависит от уровня статического тока первого 7 и второго 11 выходных полевых транзисторов (ПТ). Этот ток в зависимости от типа применяемых ПТ и решаемой задачи при заданной величине общего токопотребления может изменяться в широких пределах (например, 10 мкА-10 мА). Как следствие, напряжение U общей эмиттерной цепи 14, которая выделяет выходной синфазный сигнал входного дифференциального каскада 1 в узлах 6 и 10, будет также изменяться на несколько вольт. Значительные изменения U отрицательно сказываются на величине максимального отрицательного напряженияна выходе 19 устройства.
Кроме того, при воздействии радиации и температуры выходное синфазное напряжение входного каскада 1, выделенное в общей эмиттерной цепи 14, также существенно изменяется, что изменяет величину
Таким образом, известная схема ОУ характеризуется повышенной нестабильностью статического режима, что отрицательно влияет на его важнейшие параметры ( и т.п.).
Кроме того, существенный недостаток известного ОУ состоит также в том, что в диапазоне рабочих, прежде всего низких температур, а также при воздействии потока нейтронов он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля (Uсм) (единицы-десятки милливольт), что также обусловлено нестабильностью статического режима. В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении стабильности статического режима ОУ.
Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, общая истоковая цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 входы входного дифференциального каскада 1, первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с истоком первого 7 выходного полевого транзистора и первым входом 8 выходного дифференциального каскада 9, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с истоком второго 11 выходного полевого транзистора и вторым 12 входом выходного дифференциального каскада 9, вторую 13 шину источника питания, которая связана с объединенными стоками первого 7 и второго 11 выходных полевых транзисторов, общую эмиттерную цепь 14 выходного дифференциального каскада 9, цепь динамической нагрузки 15, согласованную с первой 3 шиной источника питания, вход которой 16 соединен с первым 17 токовым выходом выходного дифференциального каскада 9, а выход 18 связан с выходом устройства 19 и вторым 20 токовым выходом выходного дифференциального каскада 9, предусмотрены новые элементы и связи - общая эмиттерная цепь 14 выходного дифференциального каскада 9 подключена ко входу дополнительного инвертирующего усилителя 21, выход которого 22 соединен с объединенными затворами первого 7 и второго 11 выходных полевых транзисторов.
На фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
На фиг. 3 представлена схема ОУ в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
На фиг. 4 приведена схема ОУ фиг. 3 с конкретным выполнением дополнительного инвертирующего усилителя 21.
На фиг. 5 представлена схема ОУ в соответствии с п. 3 формулы изобретения.
На фиг. 6 приведена схема заявляемого устройства фиг. 3 в среде PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_4 НПО «Интеграл» (г.Минск).
На фиг. 7 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению разомкнутого ОУ фиг. 6.
12
18
2
На фиг. 8 показана зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 6 от потока нейтронов в диапазоне Fn=10÷10 н/м (а) и температуры в диапазоне минус 60÷+80°С (б).
Биполярно-полевой операционный усилитель фиг. 2 содержит входной дифференциальный каскад 1, общая истоковая цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 входы входного дифференциального каскада 1, первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с истоком первого 7 выходного полевого транзистора и первым входом 8 выходного дифференциального каскада 9, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с истоком второго 11 выходного полевого транзистора и вторым 12 входом выходного дифференциального каскада 9, вторую 13 шину источника питания, которая связана с объединенными стоками первого 7 и второго 11 выходных полевых транзисторов, общую эмиттерную цепь 14 выходного дифференциального каскада 9, цепь динамической нагрузки 15, согласованную с первой 3 шиной источника питания, вход которой 16 соединен с первым 17 токовым выходом выходного дифференциального каскада 9, а выход 18 связан с выходом устройства 19 и вторым 20 токовым выходом выходного дифференциального каскада 9. Общая эмиттерная цепь 14 выходного дифференциального каскада 9 подключена ко входу дополнительного инвертирующего усилителя 21, выход которого 22 соединен с объединенными затворами первого 7 и второго 11 выходных полевых транзисторов.
В схеме фиг. 2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на входных полевых транзисторах 23 и 24, статический режим которых устанавливается источником опорного тока 25. Выходной дифференциальный каскад 9 выполнен в частном случае на транзисторах 26, 27, эмиттеры которых соединены с общей эмиттерной цепью 14 выходного дифференциального каскада 9.
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с истоком первого 7 выходного полевого транзистора через первый 28 дополнительный резистор, а второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с истоком второго 11 выходного полевого транзистора через второй 29 дополнительный резистор. Введение данных резисторов повышает коэффициент усиления по напряжению входного каскада.
На чертеже фиг. 4 дополнительный инвертирующий усилитель 21 реализован на основе согласующего резистора 30, классического токового зеркала 31 и вспомогательного источника опорного тока 32.
Особенностью заявляемой схемы ОУ фиг. 4, также как и ОУ-прототипа, является высокоимпедансный токовый выход 19. Однако для получения низких выходных сопротивлений в данной схеме возможно применение дополнительного буферного усилителя 33, вход которого связан с токовым выходом устройства 19. Потенциальным выходом буферного усилителя 33, обладающим малым выходным сопротивлением, является узел 34.
На чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, в схему введен дополнительный входной дифференциальный каскад 35, общая истоковая цепь которого 36 подключена к первой 3 шине источника питания, первый 37 токовый выход соединен с первым 6 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а второй 38 токовый выход подключен ко второму 10 токовому выходу входного дифференциального каскада 1. Дополнительный входной дифференциальный каскад 35 имеет входы 39 и 40 и, в частном случае, содержит транзисторы 41, 42 и источник опорного тока 43.
0
Кроме того, на чертеже фиг. 5 дополнительный инвертирующий усилитель 21 реализован на основе дифференциального входного каскада 43, на неинвертирующий вход которого 44 подается опорное напряжение U.
Рассмотрим работу ОУ на примере анализа схемы фиг. 4.
ci
кi
Статический режим транзисторов схемы фиг. 4 устанавливается источником опорного тока 25, входящим в структуру входного дифференциального каскада 1. При этом в схеме с общей отрицательной обратной связью ОУ токи стока (I) и токи коллекторов (I) транзисторов схемы определяются уравнениями:
25
32
где I, I - токи двухполюсников 25 и 32.
14
Заданное статическое напряжение в общей эмиттерной цепи 14 входного дифференциального каскада 1 (U) (при идеальном токовом зеркале 31) устанавливается за счет местной отрицательной обратной связи:
i12
где K - коэффициент усиления по току токового зеркала 31;
30
R - сопротивление согласующего резистора 30.
14
Таким образом, напряжение U не зависит от статических токов стока транзисторов 23 и 24. Как следствие, максимальная амплитуда отрицательного напряжения в выходном узле 19  не будет существенно изменяться при изменении тока источника опорного тока 25, а также напряжении затвор-исток первого 7 и второго 11 выходных транзисторов при воздействии температуры и радиации
где .
Схема фиг. 5 иллюстрирует применение заявляемого ОУ в структуре так называемых мультидифференциальных операционных усилителей, которые имеют ряд неоспоримых преимуществ в сравнении с классическими ОУ [7, 8, 9] и являются их дальнейшим развитием.
В данной схеме ОУ за счет построения усилителя 21 в виде дифференциального каскада 44 при глубокой отрицательной обратной связи статическое напряжение общей эмиттерной цепи 14:
0
где U - опорное напряжение на неинвертирующем входе 45 дифференциального каскада 44.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ОУ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 5.218.319, fig. 1, fig. 3а.
2. Патент US 7.639.079, fig. 10.
3. Патент US 6.756.847, fig. 1.
4. Патент US 7.142.056, fig. 1.
5. Патент US 5.914.639.
6. 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.
7. Основные свойства, параметры и базовые схемы включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, П.С. Будяков // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 2 (233), 2014 г. С. 53-64.
8. Основные параметры и уравнения базовых схем включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Бутырлагин, И.В. Пахомов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2014. Сборник трудов. Часть 3 /под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2014. - С. 111-116
9. The main connection circuits of the radiation-hardened differential difference amplifier based on the bipolar and field effect technological process / N.N. Prokopenko, O.V. Dvornikov, N.V. Butyrlagin, A.V. Bugakova // 2014 12th International conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE - 2014) proceedings in 7 Volumes; Novosibirsk, October 2-4, 2014. - Novosibirsk State Technical University. - Vol. 1. - P. 29-34 DOI: 10.1109/APEIE.2014.7040870.