АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫЙ БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
GALLIUM BUFFER AMPLIFIER

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в качестве выходного каскада различных аналоговых устройств, в т.ч. допускающих работу в условиях воздействия проникающей радиации, низких и высоких температур.
Известно значительное количество схем выходных каскадов и буферных усилителей (БУ) аналоговых микроэлектронных изделий, которые реализуются на биполярных (BJT) и полевых (JFet, КМОП, КНИ, КНС и др.) транзисторах, а также при их совместном включении [1-25].
Во многих применениях схема БУ адаптируется под конкретные технологические процессы и внешние воздействующие факторы, т.к. только в этом случае обеспечивается реализациях предельных параметров БУ.
В настоящее время в российской и зарубежной микроэлектронике уделяется повышенное внимание арсенид-галлиевым микросхемам. Данное направление создания электронной компонентной базы относится к числу наиболее перспективных в задачах космического приборостроения. Однако, особенности арсенид-галлиевых технологических процессов накладывают существенные ограничения на типы реализуемых транзисторов и их характеристики. Так, например, арсенид-галлиевый технологический процесс, предлагаемый фирмами США [26-29], а также Минским научно-исследовательским институтом радиоматериалов (https://mniirm.by/), ориентирован на изготовление аналоговых схем, содержащих только полевые GaAs транзисторы с управляющим p-n переходом  и биполярные GaAs p-n-p транзисторы. Применение других полупроводниковых приборов не допускается. Это накладывает существенные ограничения на схемотехнику аналоговых устройств, ориентированных на данный технологический процесс.
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является буферный усилитель, представленный в патенте US 4.492.932, fig. 3, 1985 г. Он содержит вход 1 и выход 2 устройства,  входной полевой транзистор 3, затвор которого соединен с входом 1 устройства, сток связан с первой 4 шиной источника питания, выходной биполярный транзистор 5, эмиттер которого соединен  с выходом 2 устройства, коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, а база связана со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостаблизирующий двухполюсник.
н
Существенный недостаток БУ – прототипа состоит в том, что он не может обеспечить в относительно низкоомной нагрузке R токи двух направлений, т.е. он не работает в двухтактном режиме класса АВ.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании двухтактного буферного усилителя, реализуемого на JFET арсенид-галлиевых полевых транзисторах с управляющим p-n переходом и биполярных GaAs p-n-p транзисторах, который имеет малый статический ток потребления и обеспечивает в относительно низкоомной нагрузке токи двух направлений.
Поставленная задача достигается тем, что в буферном усилителе фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства,  входной полевой транзистор 3, затвор которого соединен с входом 1 устройства, сток связан с первой 4 шиной источника питания, выходной биполярный транзистор 5, эмиттер которого соединен  с выходом 2 устройства, коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, а база связана со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостаблизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 8 и второй 9 биполярные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 2 устройства и коллектору первого 8 биполярного транзистора, эмиттеры первого 8 и второго 9 биполярных транзисторов подключены к истоку входного полевого транзистора 3, а коллектор второго 9 биполярного транзистора связан с базой выходного биполярного транзистора 5.
На чертеже фиг. 1 показана схема буферного усилителя – прототипа.
На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого буферного усилителя в соответствии с формулой изобретения.
o
1
На чертеже фиг. 3 приведена схема для моделирования GaAs БУ фиг. 2 в среде LTspice  при t=27 C, +Vcc=-Vee=10 В, I=100 мкА, Rload=1 МОм, параметрах ширины и длины канала VT1: 10u/ 0.2u.
На чертеже фиг. 4 показана амплитудная характеристика БУ фиг. 3 в среде LTspice.
o
1
На чертеже фиг. 5  представлена схема для моделирования GaAs БУ фиг. 2 в среде LTspice  при t=27C, +Vcc=-Vee=10 В, I=100 мкА, Rload=1 МОм, параметрах ширины и длины канала VT1: 100u/ 0.2u.
На чертеже фиг. 6 приведена амплитудная характеристика БУ фиг. 5 в среде LTspice.
н
Арсенид-галлиевый буферный усилитель фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства,  входной полевой транзистор 3, затвор которого соединен с входом 1 устройства, сток связан с первой 4 шиной источника питания, выходной биполярный транзистор 5, эмиттер которого соединен  с выходом 2 устройства, коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, а база связана со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостаблизирующий двухполюсник. В схему введены первый 8 и второй 9 биполярные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 2 устройства и коллектору первого 8 биполярного транзистора, эмиттеры первого 8 и второго 9 биполярных транзисторов подключены к истоку входного полевого транзистора 3, а коллектор второго 9 биполярного транзистора связан с базой выходного биполярного транзистора 5. На чертеже фиг. 2 двухполюсник 10 моделирует свойства нагрузки R.
Рассмотрим работу предлагаемого буферного усилителя фиг. 2.
Статический режим БУ на чертеже фиг. 2 определяется первым 7 токостаблизирующим двухполюсником. При этом в схеме выполняются следующие токовые уравнения Кирхгофа
,
,
,
S3
D3
где I=I – ток истока и ток стока входного полевого транзистора 3,
0
– ток базы выходного биполярного транзистора 5, первого 8 и второго 9 биполярных транзисторов при токе эмиттера, равном току I.
При положительном приращении напряжения на входе 1 увеличивается ток нагрузки двухполюсника 10 через эмиттерно-базовый p-n переход первого 8 биполярного транзистора, что приводит к увеличению тока эмиттера и коллектора второго 9 биполярного транзистора и запиранию выходного биполярного транзистора 5. При этом максимальный выходной ток  будет определяться шириной канала входного  полевого транзистора 3, а малосигнальное выходное сопротивление БУ фиг. 2 принимает относительно небольшие значения:
где  мВ – температурный потенциал,
3
S – крутизна стоко-затворной характеристики входного полевого транзистора 3,
0
I – статический ток эмиттера первого 8 биполярного транзистора.
При отрицательном приращении напряжения на входе 1 уменьшается ток истока входного полевого транзистора 3, а также ток эмиттера и коллектора первого 8 и второго 9 биполярных транзисторов. В результате выходной биполярный транзистор 5 обеспечивает отрицательное приращение тока в двухполюснике нагрузки 10, причем максимальные значения этого тока
где  – коэффициент усиления по току базы выходного биполярного транзистора 5.
н
Компьютерное моделирование схемы фиг. 2 в среде LTspice (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6) показывает, что заявляемая схема при ее реализации в рамках арсенид-галлиевых технологий [26-29] обеспечивает двуполярное изменение тока нагрузки при относительно небольших сопротивлениях R.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с БУ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент RU № 2523947 fig. 4, 2014 г.
2. Патент WO 2007135139, 2007 г.
3. Патент US 4.743.862, 1988 г.
4. Патент US 6.433.638, fig. 1a-2, 2002 г.
5. Патентная заявка US  20050253653, 2005 г.
6. Патент US 4.825.174, fig. 3, fig. 6, 1989 г.
7. Патент RU 2099856, fig. 3, 1997 г.
8. Патент US 4.904.953, fig. 2, 1990 г.
9. Патент US 7.896.339, fig. 4, 2011 г.
10. Патент US 6.342.814, 2002 г.
11. Патентная заявка US 2010/0182086, 2010 г.
12. Патент US 5.387.880, fig. 1, 1995 г.
13. Патент US 4.598.253, 1986 г.
14. Патент US 4.667.165, fig. 2, 1987 г.
15. Патент US 4.596.958, 1986 г.
16. Патент US 7.116.172, fig. 4, fig. 5, 2006 г.
17. Патент US 5.648.743, 1997 г.
18. Патент US 5.367.271, fig. 2, 1994 г.
19. Патентная заявка US 2000/0112075, fig. 3, 2000 г.
20. Патент US 5.065.043, fig. 1f, 1991 г.
21. Патентная заявка US 2007/0115056, fig. 2, 2007 г.
22. Патент US 7.548.117, fig. 5, 2009 г.
23. Патент EP 0 293486 B1, fig. 5, 1991 г.
24. Патент US 4.420.726, fig. 1 – fig. 3, 1983 г.
25. Проектирование низкотемпературных и радиационно-стойких аналоговых микросхем для обработки сигналов датчиков: монография / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, А.В. Бугакова. – М.: СОЛОН-Пресс, 2021. – 200 с.
26. M. Fresina, "Trends in GaAs HBTs for wireless and RF," 2011 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, Atlanta, GA, USA, 2011, pp. 150-153. doi: 10.1109/BCTM.2011.6082769
27. P. J. Zampardi, M. Sun, C. Cismaru and J. Li, "Prospects for a BiCFET III-V HBT Process," 2012 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), La Jolla, CA, USA, 2012, pp. 1-3. doi: 10.1109/CSICS.2012.6340116
28. W. Liu, D. Hill, D. Costa and J. S. Harris, "High-performance microwave AlGaAs-InGaAs Pnp HBT with high-DC current gain," in IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 2, no. 8, pp. 331-333, Aug. 1992. doi: 10.1109/75.153604
29. Peatman W. et al. InGaP-Plus™: advanced GaAs BiFET technology and applications // CS MANTECH Conference, May 14-17, 2007, Austin, Texas, USA. pp. 243-246.