ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ «НАПРЯЖЕНИЕ-ТОК» НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N ПЕРЕХОДОМ
BROADBAND VOLTAGE-TO-CURRENT CONVERTER ON FIELD-EFFECT TRANSISTORS WITH CONTROL P-N JUNCTION

Предполагаемое изобретение относится к области электроники и радиотехники и может быть использовано в качестве преобразователя входного напряжения в пропорциональные и противофазные выходные токи. Потребность в устройствах данного класса возникает в задачах проектирования активных RC фильтров, операционных усилителей и т.п. Преобразователи «напряжение-ток» (ПНТ) являются базовым элементов многих электронных устройств, в т.ч. работающих при низких температурах и воздействии радиации [1].
Известны схемы преобразователей входного напряжения с парафазными токовыми выходами [2-9], в т.ч. на комплементарных КМОП полевых транзисторах [2-4] и  комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом (JFet) [5], которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем, причем для работы при низких температурах и жестких ограничениях на уровень шумов перспективно использование JFet полевых транзисторов [11-13]. ПНТ данного класса активно применяются в структуре малошумящих аналоговых интерфейсов [17-35].
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является широкополосный преобразователь «напряжение-ток» на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом, представленный в Авт. свид. СССР  731555, 1980 г. Он содержит вход 1 и первый 2 токовый выход устройства, согласованный с первой 3 шиной источника питания, входной 4 полевой транзистор, затвор которого подключен ко входу 1 устройства, первый 5 выходной полевой транзистор, сток которого согласован с первой  3 шиной источника питания, а исток соединен с затвором первого 5 выходного полевого транзистора через первый 6 токостабилизирующий резистор, второй 7 выходной полевой транзистор, сток которого соединен с первым 2 токовым выходом устройства, а затвор подключен ко второй 8 шине источника питания.
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что для обеспечения его работоспособности необходимо иметь определенную постоянную составляющую напряжения Uвх на его входе 1, которая должна превышать напряжение на второй 8 шине источника питания (на истоке транзистора 4 U8): Uвх>U8. Практически это означает, что известная схема ПНТ не работоспособна при однополярном питании. Кроме этого, ПНТ фиг. 1 имеет только один первый 2 токовый выход. Это значительно сужает область его практического использования.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в обеспечении работоспособности ПНТ при однополярном питании. Дополнительная задача - создание схемы ПНТ с двумя противофазными токовыми выходами, что значительно расширит области его практического  применения, например, в промежуточных каскадах операционных усилителей и т.п.
Решение поставленных задач достигается тем, что в широкополосном преобразователе «напряжение-ток»  фиг.1, содержащем вход 1 и первый 2 токовый выход устройства, согласованный с первой 3 шиной источника питания, входной 4 полевой транзистор, затвор которого подключен ко входу 1 устройства, первый 5 выходной полевой транзистор, сток которого согласован с первой  3 шиной источника питания, а исток соединен с затвором первого 5 выходного полевого транзистора через первый 6 токостабилизирующий резистор, второй 7 выходной полевой транзистор, сток которого соединен с первым 2 токовым выходом устройства, а затвор подключен ко второй 8 шине источника питания, предусмотрены новые связи – сток  входного 4 полевого транзистора  связан со второй 8 шиной источника питания, а исток первого 5 выходного полевого транзистора подключен к истоку второго 7 выходного полевого транзистора, причем исток входного 4 полевого транзистора соединен с затвором первого 5 выходного полевого транзистора.
На чертеже фиг. 1 показан широкополосный преобразователь «напряжение-ток» на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом – прототип.
На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого ПНТ в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого преобразователя «напряжение-ток» на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом, соответствующая п. 3 формулы изобретения
На чертеже фиг. 4 показана схема ПНТ в соответствии с п. 4 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 5 приведен пример включения ПНТ фиг. 4 в промежуточном каскаде CJFet ОУ.
На чертеже фиг.6 представлен CJFet операционный усилитель c повышенным разомкнутым коэффициентом усиления на основе заявляемого ПНТ фиг. 2 в структуре его промежуточного каскада.
На чертеже фиг. 7 показана схема для моделирования широкополосного преобразователя «напряжение-ток» фиг.2 при t=27 oC в среде LTspice на моделях JFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).
На чертеже фиг. 8 приведена проходная характеристика CJFet широкополосного приобразователя «напряжение-ток» фиг.7 при t=27 oC в среде LTspice на моделях JFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).
На чертеже фиг. 9 представлена схема для моделирования ПНТ фиг.3 при t=27 oC, V4=2В в среде LTspice на моделях JFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).
На чертеже фиг. 10 показана проходная характеристика CJFet ПНТ фиг.9 при t=27 oC, V4=2В в среде LTspice на моделях JFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).
На чертеже фиг. 11 приведен статический режим схемы ПНТ фиг. 6 при температуре 27 °C, R1=10кОм, I1=400мкА, V4=5B, V6=2B.
На чертеже фиг. 12 представлено влияние потока нейтронов на амплитудно-частотную характеристику ОУ фиг. 6 при t=27oC.
На чертеже фиг. 13 показано влияние потока нейтронов на на амплитудно-частотную характеристику ОУ фиг. 6 при t=-197oC.
Широкополосный преобразователь «напряжение-ток» на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом фиг. 2 содержит вход 1 и первый 2 токовый выход устройства, согласованный с первой 3 шиной источника питания, входной 4 полевой транзистор, затвор которого подключен ко входу 1 устройства, первый 5 выходной полевой транзистор, сток которого согласован с первой  3 шиной источника питания, а исток соединен с затвором первого 5 выходного полевого транзистора через первый 6 токостабилизирующий резистор, второй 7 выходной полевой транзистор, сток которого соединен с первым 2 токовым выходом устройства, а затвор подключен ко второй 8 шине источника питания. Сток  входного 4 полевого транзистора  связан со второй 8 шиной источника питания, а исток первого 5 выходного полевого транзистора подключен к истоку второго 7 выходного полевого транзистора, причем исток входного 4 полевого транзистора соединен с затвором первого 5 выходного полевого транзистора.
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения,  сток первого 5 выходного полевого транзистора, согласованный с первой 3 шиной источника питания, соединен со вторым 9 токовым выходом устройства.
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения,  затвор второго 7 выходного полевого транзистора связан со второй 8 шиной источника питания через цепь смещения потенциалов 10.
На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 4 формулы изобретения,  первый 5 выходной полевой транзистор выполнен по составной каскодной схеме на первом 13 и втором 14 дополнительных полевых транзисторах, причем затвор первого 13 дополнительного полевого транзистора является эквивалентным затвором первого 5 выходного полевого транзистора, его исток является истоком первого 5 выходного полевого транзистора, а сток подключен к истоку второго 14 дополнительного полевого транзистора, сток второго 14 дополнительного полевого транзистора связан со вторым 9 токовым выходом устройства, затвор второго 14 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком первого 13 дополнительного полевого транзистора, кроме этого, второй 7 выходной полевой транзистор выполнен по составной каскодной схеме на третьем 15 и четвертом 16 дополнительных полевых транзисторах, причем затвор третьего 15 дополнительного полевого транзистора является эквивалентным затвором второго 7 выходного полевого транзистора, его исток является истоком второго 7 выходного полевого транзистора, а сток подключен к истоку четвертого 16 дополнительного полевого транзистора, сток четвертого 16 дополнительного полевого транзистора связан с первым 2 токовым выходом устройства, а затвор четвертого 16 дополнительного полевого транзистора подключен к истоку третьего 15 дополнительного полевого транзистора.
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг. 2.
Статический режим по току входного 4, первого 5 и второго 7 выходных полевых транзисторов в схеме фиг. 2 определяется уровнем постоянной составляющей напряжения Uвх на входе 1 устройства, а также первым 6 токостабилизирующим резистором. Как следует из чертежа фиг. 8, схема ПНТ фиг. 2 (фиг. 7) не реагирует на изменение входного сигнала, если уровень постоянной составляющей на входе 1 (Uвх) меньше некоторого порогового уровня (Uп=3,7 В). Далее, при изменении входного напряжения в диапазоне 3,7-5 В,  в схеме фиг. 2 (фиг. 7) начинают изменяться выходные токи, что позволяет использовать ПНТ в задачах преобразования аналоговых сигналов, например, в промежуточных каскадах ОУ.
За счет изменения напряжения на цепи смещения потенциалов 10 (Е0) можно смещать на заданную величину уровень  постоянной составляющей на входе 1, при котором происходит переход транзисторов 4,5,7 в режим изменения токов стока. Однако, в ряде практических случаев, например, при использовании ПНТ в качестве промежуточного каскада ОУ, применение цепи смещения потенциалов 10 не требуется.
Особенность схемы ПНТ фиг. 2 состоит в том, что он имеет два противофазных токовых выхода 2 и 9, что позволяет создавать на его основе промежуточные каскады типовых аналоговых устройств (фиг. 5 – фиг. 6).
Указанные выше особенности заявляемого ПНТ подтверждаются результатами компьютерного моделирования, представленными на чертежах  фиг. 8, фиг. 10, фиг. 12, фиг. 13. Их анализ показывает, что заявляемый ПНТ удовлетворительно работает в широком диапазоне отрицательных температур и воздействии потока нейтронов.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. O. V. Dvornikov, V. L. Dziatlau, N. N. Prokopenko, K. O. Petrosiants, N. V. Kozhukhov and V. A. Tchekhovski, "The accounting of the simultaneous exposure of the low temperatures and the penetrating radiation at the circuit simulation of the BiJFET analog interfaces of the sensors," 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Astana, 2017, pp. 1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998507
2. Патент US 4.377.789, fig. 1, 1983 г.
3. Патентная заявка US 2006/0125522, 2006 г.
4. Патент US 7.907.011, 2011 г.
5. Патент US 5.291.149 fig. 4, 1991 г.
6. Патент US 6.750.515,  2004 г.
7. Патент US 4.573.020, 1986 г.
8. Ashley Ingmire. Differential Amplifiers and common mode feedback. https://slideplayer.com/slide/1496714/
9. Патент US 6.556.081, fig. 1, 2003 г.
10. N. N. Prokopenko, N. V. Butyrlagin, A. V. Bugakova and A. A. Ignashin, "Method for speeding the micropower CMOS operational amplifiers with dual-input-stages," 2017 24th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Batumi, 2017, pp. 78-81.
11. K. O. Petrosyants, M. R. Ismail-zade, L. M. Sambursky, O. V. Dvornikov, B. G. Lvov and I. A. Kharitonov, "Automation of parameter extraction procedure for Si JFET SPICE model in the −200…+110°C temperature range," 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), Moscow, 2018, pp. 1-5. DOI: 10.1109/MWENT.2018.8337212
12. Создание низкотемпературных аналоговых ИС для обработки импульсных сигналов датчиков. Часть 2 / О. Дворников, В. Чеховский,  В. Дятлов, Н. Прокопенко // Современная электроника, 2015, № 5. С. 24-28
13. O. V. Dvornikov, N. N. Prokopenko, N. V. Butyrlagin and I. V. Pakhomov, "The differential and differential difference operational amplifiers of sensor systems based on bipolar-field technological process AGAMC," 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Moscow, 2016, pp. 1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2016.7491792
14. Дворников О.В., Чеховский В.А., Дятлов В.Л., Прокопенко Н.Н. "Малошумящий электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов" Приборы и методы измерений, №. 2 (7), 2013, С. 42-46.
15. Дворников О. Чеховский В., Дятлов В., Прокопенко Н. Применение структурных кристаллов для создания интерфейсов датчиков //Современная электроника. – 2014. – №. 1. – С. 32-37.
16. O. V. Dvornikov, A. V. Bugakova, N. N. Prokopenko, V. L. Dziatlau and I. V. Pakhomov, "The microcircuits MH2XA010-02/03 for signal processing of optoelectronic sensors," 2017 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Erlagol, 2017, pp. 396-402. DOI: 10.1109/EDM.2017.7981781.
17. Патент DE 2354552, 1974 г., fig. 9, fig. 10
18. Патент SU 748800, 1980 г.
19. Патент SU 669344, 1979 г.
20. Патент SU 723543, 1980 г.
21. Патент SU 437193, 1974 г. (ДУ)
22. Патент DE 2548906. 1976 г.
23. Патент US 3974455, 1976 г. , fig. 7
24. Патент GB 1212342, 1970 г.
25. Патент SU 537435, 1976 г.
26. Патент US 4.420.726, 1983 г., fig. 1-9
27. Патент EP 0293486, 1987 г., fig. 2
28. Патент US 6.696.894, 2004 г., fig. 1,
29. Патент US 5.091.701, 1992 г. , fig.3
30. Патент US 6.531.919, 2002 г.
31. Патент US 4.121.169, 1978 г. , fig. 6, fig. 7
32. Патентная заявка US 2005/0275453, 2005 г. , fig. 1
33. Патентная заявка US 2004/0227573, 2004 г. , fig. 5
34. Патент US 4.496.908, 1985 г., fig. 1f, fig. 1b
35. Л. Севин. Полевые транзисторы.- Советское  радио, 1968.- рис.  3.18 (стр. 101), рис.  5.8 (стр. 148), рис. 6.5 (стр. 155), рис. 6.18 (стр. 166).