Дифференциальный усилитель на комплементарных полевых транзисторах с управляемым напряжением ограничения проходной характеристики
DIFFERENTIAL AMPLIFIER ON COMPLIMENTARY FIELD TRANSISTORS WITH CONTROLLED VOLTAGE LIMITATIONS OF PASSAGE CHARACTERISTICS

Изобретение относится к области радиотехники и связи  и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях (ОУ), компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п., в т.ч. работающих при низких температурах и воздействии радиации.
Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) на комплементарных транзисторах [1-61], в т.ч. на комплементарных биполярных транзисторах [1-32], на комплементарных КМОП полевых транзисторах [33-61] и  комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом (JFet) [4], которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем. В литературе по аналоговой микроэлектронике этот класс ДУ имеет специальное обозначение – dual-input-stage [62].
Для работы при низких температурах при жестких ограничениях на уровень шумов перспективно использование JFet полевых транзисторов [63-67]. ДУ данного класса активно применяются в структуре малошумящих аналоговых интерфейсов для обработки сигналов датчиков [68-70].
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 5.291.149, fig.4, 1994г., который содержит первый 1 вход, соединенный с затвором первого 2 входного полевого транзистора, второй 3 вход, соединенный с затвором второго 4 входного полевого транзистора, первый 5 токовый выход, соединенный со стоком первого 2 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход, соединенный со стоком второго 4 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, первый 8 вспомогательный полевой транзистор, сток которого соединен с третьим 9 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания,  второй 11 вспомогательный полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым 12 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, причем каналы первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости (например, n-канал), а каналы первого 8 и второго 11 вспомогательных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости (р-канал).
1
2
гр
вых
вх
Существенный недостаток известного ДУ фиг. 1 состоит, во-первых, в том, что его статический режим определяется двумя источниками опорного тока I (I), которые, как правило, неидентичны, что становится источником дополнительных погрешностей усиления малых сигналов. Во-вторых,  в известном ДУ при фиксированном токе потребления затруднено изменение напряжения ограничения U проходной характеристики i=f(u), которое оказывает существенное влияние на максимальную скорость нарастания выходного напряжения (SR) операционного усилителя с входным ДУ фиг. 1 [71-72]
1
гр
где f – частота единичного усиления скорректированного ОУ с входным ДУ фиг. 1, как правило, не зависящая от U.
Это не позволяет управлять численными значениями SR в конкретных схемах ОУ при заданных ограничениях на токопотребление, запас устойчивости по фазе, коэффициент усиления по напряжению и т.п.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых в ДУ фиг. 1 обеспечивается:
- более высокая стабильность статического режима ДУ при отрицательных температурах (до -197°С) и изменении напряжений питания;
- возможность изменения напряжения ограничения проходной характеристики Uгр по усмотрению разработчика (в зависимости от заданных значений SR [71-72]) при фиксированном токопотреблении.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 вход, соединенный с затвором первого 2 входного полевого транзистора, второй 3 вход, соединенный с затвором второго 4 входного полевого транзистора, первый 5 токовый выход, соединенный со стоком первого 2 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход, соединенный со стоком второго 4 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, первый 8 вспомогательный  полевой транзистор, сток которого соединен с третьим 9 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания,  второй 11 вспомогательный полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым 12 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, причем каналы первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости, а каналы первого 8 и второго 11 вспомогательных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости, предусмотрены новые элементы и связи – между истоками первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов включены два последовательно соединенных первый 13 и второй 14 дополнительные резисторы, между истоками первого 8 и второго 11 вспомогательных полевых транзисторов включен третий 15 дополнительный резистор, между истоками первого 2 входного полевого и первого 8 вспомогательного полевого транзисторов включен четвертый 16 дополнительный резистор, между истоками второго 4 входного полевого и второго 11 вспомогательного полевого транзисторов включен пятый 17 дополнительный резистор, причем объединенные затворы первого 8 и второго 11 вспомогательных полевых транзисторов соединены с общим узлом последовательно включенных первого 13 и второго 14 дополнительных резисторов.
На чертеже фиг. 1 представлена схема ДУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 в среде LTspice показан статический режим ДУ фиг. 2 при температуре -197°С для случая, когда сопротивление третьего 15 дополнительного резистора (фиг. 2) значительно превышает сопротивление четвертого 16 и пятого 17  дополнительных резисторов.
вых
вх
out1
in
out2
in
out3
in
out4
in
На чертеже фиг. 4 приведены проходные характеристики ДУ фиг. 3 i=f(u), при температуре -197°С и разных сопротивлениях R3*=R4*=100/1к/10к/100кОм: I,V3=V=-3÷3В (а), I,V3=V=-3÷3В (б), I,V3=V=-3÷3В (в), I,V3=V=-3÷3В (г).
гр
На чертеже фиг. 5 представлена зависимость U для первого 5 токового выхода out.1 ДУ фиг. 3 от сопротивлений резисторов R3*=R4* при различных температурах.
На чертеже фиг. 6 показаны проходные характеристики ДУ фиг. 3 для первого 5 токового выхода out.1 (ДУ фиг. 2) при разных сопротивлениях дополнительных резисторов R3*=R4*=100/1к/10к/100кОм и температуре  -197°С.
На чертеже фиг. 7 в среде LTspice приведен статический режим ДУ фиг. 2 при температуре -197°С для случая, когда сопротивления первого 13 и второго 14 дополнительных резисторов (фиг.2) значительно превышают сопротивления четвертого 16 и пятого 17  дополнительных резисторов.
out1
in
out3
in
На чертеже фиг. 8 представлены проходные характеристики ДУ фиг. 3 при R3*=R4*=100кОм и разных сопротивлениях дополнительного резистора R5*=Rvar=100/1к/10к/100кОм: I,V3=V=-5÷5В при -197°С (а), I,V3=V=-5÷5В при -197°С (б).
Дифференциальный усилитель на комплементарных полевых транзисторах с управляемым напряжением ограничения проходной характеристики фиг. 2 содержит первый 1 вход, соединенный с затвором первого 2 входного полевого транзистора, второй 3 вход, соединенный с затвором второго 4 входного полевого транзистора, первый 5 токовый выход, соединенный со стоком первого 2 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход, соединенный со стоком второго 4 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, первый 8 вспомогательный  полевой транзистор, сток которого соединен с третьим 9 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания,  второй 11 вспомогательный полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым 12 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, причем каналы первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости, а каналы первого 8 и второго 11 вспомогательных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости. Между истоками первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов включены два последовательно соединенных первый 13 и второй 14 дополнительные резисторы, между истоками первого 8 и второго 11 вспомогательных полевых транзисторов включен третий 15 дополнительный резистор, между истоками первого 2 входного полевого и первого 8 вспомогательного полевого транзисторов включен четвертый 16 дополнительный резистор, между истоками второго 4 входного полевого и второго 11 вспомогательного полевого транзисторов включен пятый 17 дополнительный резистор, причем объединенные затворы первого 8 и второго 11 вспомогательных полевых транзисторов соединены с общим узлом последовательно включенных первого 13 и второго 14 дополнительных резисторов.
На чертеже фиг. 2 свойства нагрузок для первого 5, второго 7, третьего 9 и четвертого 12 токовых выходов моделируются соответственно двухполюсниками 18, 19, 20 и 21. В практических схемах эти двухполюсники – входные сопротивления токовых зеркал, на которых реализуется схема того или иного операционного усилителя или компаратора.
Рассмотрим работу ДУ фиг. 2.
В статическом режиме, например, при подключении первого 1 и второго 3 входов  ДУ фиг. 2 к общей шине источников питания (6 и 10), первый 13, второй 14 и третий 15 дополнительные резисторы не влияют на статические токи истока всех полевых транзисторов схемы из-за ее симметрии. При этом
иi
где I – ток стока i-го полевого транзистора;
зи.8
зи.11
0
U, U – напряжение затвор-исток соответствующих первого 8 и второго 11 вспомогательных полевых транзисторов в рабочей точке при токе истока, равном I;
R16
R17
0
U=U – падение напряжения на четвертом 16 и пятом 17 дополнительных резисторах от тока I.
Таким образом, за счет выбора четвертого 16 и пятого 17 дополнительных резисторов обеспечивается идентичный заданный статический режим по току всех полевых транзисторов 2, 4, 8, 11 ДУ фиг. 2:
Следует заметить, что статический режим ДУ фиг. 2 практически не зависит от величины входного синфазного сигнала и изменений напряжений питания на первой 6 и второй 10 шинах. Это позволяет исключить из схемы ДУ фиг. 2 традиционные источники опорного тока, отрицательно влияющие на данные параметры.
вх
вх
вх
гр
Если на вход 1 подается положительное входное напряжение u относительно входа 3, то это вызывает увеличение тока через первый 13 и второй 14 дополнительные резисторы и уменьшение тока истока второго 4 входного полевого транзистора. В пределе ток истока первого 2 входного полевого транзистора может принимать удвоенное значение относительно своего статического уровня при u=0. Численные значения сопротивлений первого 13 и второго 14 дополнительных резисторов определяют напряжение ограничения проходной характеристики ДК фиг. 2: чем больше сопротивления дополнительных резисторов R13=R14, тем при большем входном напряжении u=U произойдет ограничение выходного тока ДУ для первого 5 токового выхода. Об этом свидетельствуют графики фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, полученные для схемы фиг. 3.
гр
вх
гр
Аналогичным образом на напряжение ограничения U ДУ фиг. 7 влияет третий 15 дополнительный резистор (фиг. 8). Чем меньше его сопротивление, тем при меньших значениях входного напряжения u=U произойдет ограничение выходного тока ДУ фиг. 2 для четвертого 12 токового выхода.
гр
Таким образом, первый 13, второй 14 и третий 15 дополнительные резисторы определяют численные значения напряжения ограничения U предлагаемого дифференциального усилителя для всех его токовых выходов 5, 7, 9, 12.
Графики, представленные на чертежах фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 8, снятые при разных температурах и численных значениях сопротивлений первого 13, второго 14 и третьего 15 дополнительных резисторов  подтверждают сделанные выше качественные выводы.
гр
Результаты компьютерного моделирования в среде LTspice схем фиг. 3 и фиг. 7 показывают, что на основе предлагаемого ДУ фиг. 2 реализуется широкий спектр проходных характеристик с разными численными значениями напряжения ограничения U для первого 5 и второго 7 токовых выходов, согласованных с первой 6 шиной источника питания, и третьего 9 и четвертого 12 токовых выходов, согласованных со второй 10 шиной источника питания. В итоге, это позволяет проектировать дифференциальные и мультидифференциальные операционные усилители с заданным (см. формулу (1)) быстродействием [71-72].
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными схемотехническими решениями ДУ класса dual-input-stage [1-61], что позволяет рекомендовать его для практического использования в ОУ и построения низкотемпературных и радиационно-стойких аналоговых микросхем по техпроцессу CJFet ОАО «Интеграл» (г. Минск), а также комплементарному биполярно-полевому технологическому процессу АО «НПП «Пульсар» (г. Москва).
Библиографический список
1. Патент US 5.814.953, 1995 г.
2. Патент US 5.225.791, 1993 г.
3. Патент US 6.844.781, 2005 г.
4. Патент US 5.291.149, 1994 г.
5. Патентная заявка US 2005/0024140, 2005 г.
6. Патентная заявка US 2006/0226908, 2006 г.
7. Патент US 4.636.743, 1985 г.
8. Патент SU 1220105, 1986 г.
9. Патент US 5.515.005, 1994 г.
10. Патент US 5.374.897, 1994 г.
11. Патент US 5.512.859, 1996 г.
12. Патент US 4.649.352, 1987 г.
13. Патент JP 8222972, 1996 г.
14. Патент US 6.268.769, 2001 г.
15. Патент RU 2193273, 2002 г.
16. Патент US 4.241.315, 1980 г.
17. Патент JP 2004129018, 2004 г.
18. Патент SU 530425, 1976 г.
19. Патент US 5.153.529, 1992 г.
20. Патент US 5.420.540, 1995 г.
21. Патент US 6.222.416, fig. 2, 2001 г.
22. Патент US 3.974.455, fig. 7, 1976 г.
23. Патент US 4.349.786, 1982 г.
24. Патент US 4.783.637, 1988 г.
25. Патент US 5.293.136, 1994 г.
26. Патент US 6.366.170, 2002 г.
27. Патент US 6.163.290, 2000 г.
28. Патент US 4.417.292, fig. 1, 1981 г.
29. Патент SU 1385255, 1988 г.
30. Патент US 2005/0285677, 2005 г.
31. Патент US 5.610.547, fig. 28, 1997 г.
32. Патент SU 459780, 1975 г.
33. Патентная заявка US 2003/0206060, 2003 г.
34. Патент US 6.794.940, 2004 г.
35. Патентная заявка US 2004/0174216, 2004 г.
36. Патентная заявка US 2006/0125522, 2006 г.
37. Патент US 6.433.637, 2002 г.
38. Патентная заявка US 2007/0159248, 2007 г.
39. Патент US 5.714.906, 1995 г.
40. Патент US 7.907.011, 2011 г.
41. Патент US 6.100.762, 2000 г.
42. Патент US 5.909.146, 1999 г.
43. Патент ЕР 1150423, 2001 г.
44. Патент JP 2004/222104, 2004 г.
45. Патент US 6.801.087, 2004 г.
46. Патент US 5.917.378, 1999 г.
47. Патентная заявка US 2008/0074405, 2008 г.
48. Патентная заявка US 2009/0206930, 2009 г.
49. Патент US 6.356.153, 2002 г.
50. Патент US 5.621.357, 1997 г.
51. Патент US 6.970.043, 2005 г.
52. Патент US 6.731.169, 2004 г.
53. Патент US 5.070.306, fig. 3, 1991 г.
54. Патент US 2010/001797, 2001 г.
55. Патент US 5.610.547, fig. 34, 1997 г.
56. Патент US 6.972.623, fig. 4, fig. 6, 2005 г.
57. Патент US 2008/0238546, fig. 2, 2008 г.
58. Патент US 2008/0252374, 2008 г.
59. Патент US 7.567.124, 2009 г.
60. Патент US 7.586.373, 2009 г.
61. Патент US 2006/0215787, 2006 г.
62. 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.
63. The Radiation-Hardened BiJFet Differential Amplifiers with Negative Current Feedback on the Common-Mode Signal / N. N. Prokopenko, O. V. Dvornikov, N. V. Butyrlagin, A. V. Bugakova // 2016 13th International conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE – 2016) – 39281. Proceedings; Novosibirsk, October 3-6, 2016. In 12 Vol. Vol. 1. Part 1. Pp. 104-108 DOI: 10.1109/APEIE.2016.7802224.
64. 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
65. 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
66. 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
67. O. V. Dvornikov, N. N. Prokopenko, I. V. Pakhomov and A. V. Bugakova, "The analog array chip AC-1.3 for the tasks of tool engineering in conditions of cryogenic temperature, neutron flux and cumulative radiation dose effects," 2016 IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS), Yerevan, 2016, pp. 1-4. DOI: 10.1109/EWDTS.2016.7807724
68. Дворников О.В., Чеховский В.А., Дятлов В.Л., Прокопенко Н.Н. "Малошумящий электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов" Приборы и методы измерений, no. 2 (7), 2013, pp. 42-46.
69. Дворников О. Чеховский В., Дятлов В., Прокопенко Н. Применение структурных кристаллов для создания интерфейсов датчиков //Современная электроника. – 2014. – №. 1. – С. 32-37.
70. 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
71. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов: монография / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л.: «Энергия», 1979. - 148 с.
72. Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. – 231 с.