ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ ДЛЯ АКТИВНЫХ RC-ФИЛЬТРОВ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОТОКА НЕЙТРОНОВ И НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
OPERATIONAL AMPLIFIER WITH A PARAPHASE OUTPUT FOR ACTIVE RC-FILTERS OPERATING UNDER CONDITIONS OF NEUTRON FLUX AND LOW TEMPERATURES

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и микроэлектроники и может быть использовано в аналоговых микросхемах и аналого-цифровых интерфейсах датчиков,  работающих в тяжелых условиях эксплуатации.
Операционные усилители (ОУ) с парафазным выходом [1-26] относятся к числу перспективных активных элементов современной микроэлектроники. На их основе реализуется широкий класс аналоговых интерфейсов, в т.ч. для АЦП преобразователей, имеющих дифференциальный вход и дифференциальный выход. Такое схемотехническое решение ОУ имеет ряд известных преимуществ в сравнении с традиционными ОУ без парафазного выхода [26].
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 6.937.100, fig. 4, fig. 5, 2005г. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1, общая истоковая цепь которого согласована с первой 2 шиной источника питания, первую 3 и вторую 4 группы противофазных входов устройства, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 7 и второй 8 противофазные выходы устройства, между которыми включены последовательно соединенные первый 9 и второй 10 резисторы отрицательной обратной связи, первый 11 и второй 12 выходные полевые транзисторы с объединенными затворами, причем исток первого 11 выходного полевого транзистора связан со второй 13 шиной источника питания через первый 14 токостабилизирующий резистор, а исток второго 12 выходного полевого транзистора связан со второй 13 шиной источника питания через второй 15 токостабилизирующий резистор, первый 16 источник опорного тока, связанный со стоком первого 11 выходного полевого транзистора и входом первого 17 буферного усилителя, выход которого связан с первым 7 выходом устройства, второй 18 источник опорного тока, связанный со стоком второго 12 выходного полевого транзистора и входом второго 19 буферного усилителя, выход которого связан со вторым 8 выходом устройства, первый 20 вспомогательный полевой транзистор, исток которого связан со первой 2 шиной источника питания через третий 21 источник опорного тока, сток согласован со второй 13 шиной источника питания, а затвор соединен с общим узлом последовательно соединенных первого 9 и второго 10 резисторов отрицательной обратной связи, второй 22 вспомогательный полевой транзистор.
Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что при реализации его схемы на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом (JFET), обеспечивающих экстремально низкий уровень шумов, он не работоспособен при низких температурах и воздействии повышенных уровней проникающей радиации, а также не обеспечивает повышенный коэффициент усиления по напряжению. Это не позволяет использовать ОУ-прототип в задачах проектирования активных RC-фильтров с малым уровнем шумов для тяжелых условий эксплуатации.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании операционного усилителя с парафазным выходом на полевых JFET транзисторах, который демонстрирует высокую радиационную стойкость, устойчивую работу при криогенных температурах при экстремально малом уровне шумов, а также обеспечивает повышенный коэффициент усиления по напряжению.
Поставленная задача достигается тем, что в ОУ фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, общая истоковая цепь которого согласована с первой 2 шиной источника питания, первую 3 и вторую 4 группы противофазных входов устройства, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 7 и второй 8 противофазные выходы устройства, между которыми включены последовательно соединенные первый 9 и второй 10 резисторы отрицательной обратной связи, первый 11 и второй 12 выходные полевые транзисторы с объединенными затворами, причем исток первого 11 выходного полевого транзистора связан со второй 13 шиной источника питания через первый 14 токостабилизирующий резистор, а исток второго 12 выходного полевого транзистора связан со второй 13 шиной источника питания через второй 15 токостабилизирующий резистор, первый 16 источник опорного тока, связанный со стоком первого 11 выходного полевого транзистора и входом первого 17 буферного усилителя, выход которого связан с первым 7 выходом устройства, второй 18 источник опорного тока, связанный со стоком второго 12 выходного полевого транзистора и входом второго 19 буферного усилителя, выход которого связан со вторым 8 выходом устройства, первый 20 вспомогательный полевой транзистор, исток которого связан со первой 2 шиной источника питания через третий 21 источник опорного тока, сток согласован со второй 13 шиной источника питания, а затвор соединен с общим узлом последовательно соединенных первого 9 и второго 10 резисторов отрицательной обратной связи, второй 22 вспомогательный полевой транзистор, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введены первый 23, второй 24 и третий 25 дополнительные полевые транзисторы, причем исток первого 23 дополнительного полевого транзистора соединен с первым 5 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, исток второго 24 дополнительного полевого транзистора соединен со вторым 6 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, сток первого 23 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком первого 11 выходного полевого транзистора, сток второго 24 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком второго 12 выходного полевого транзистора, между истоками первого 23 и второго 24 дополнительных полевых транзисторов включены последовательно соединенные первый 26 и второй 27 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с истоком третьего 25 дополнительного полевого транзистора, затвор которого согласован со второй 13 шиной источника питания, а сток подключен к первой 2 шине источника питания, затворы первого 11 и второго 12 выходных полевых транзисторов подключены ко второй 13 шине источника питания, затвор второго 22 вспомогательного полевого транзистора  соединен  с истоком первого 20 вспомогательного полевого транзистора, его сток связан со второй 13 шиной источника питания, а исток соединен с объединенными затворами первого 23 и второго 24 дополнительных полевых транзисторов и через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 28 связан с первой 2 шиной источника питания, причем в качестве всех упомянутых выше полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.
На чертеже фиг. 1 показана схема ОУ - прототипа.
На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения, а на чертеже фиг. 3 – в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
o
1
2
5
На чертеже фиг. 4 представлена схема заявляемого ОУ фиг. 3 в среде LTspice на моделях СJFET транзисторов АО «Интеграл» (г. Минск) при t=27C, I=200 мкА, I÷I=100 мкА.
o
На чертеже фиг. 5 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) коэффициентов усиления по напряжению ОУ фиг. 4 со 100% отрицательной обратной связью (ООС) и без ООС при t=27C.
o
1
2
5
На чертеже фиг. 6 показана схема заявляемого ОУ фиг. 3 в среде LTspice  на моделях СJFET транзисторов АО «Интеграл» (г. Минск) при t=-197C, I=200 мкА, I÷I=100 мкА.
o
На чертеже фиг. 7 представлены амплитудно-частотные характеристики коэффициентов усиления по напряжению ОУ фиг. 6 со 100% ООС и без ООС при t=-197C.
o
На чертеже фиг. 8 приведены амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 4 при воздействии  потока нейтронов со 100% ООС и без ООС для t=27C.
o
На чертеже фиг.9 показана схема для моделирования свойств фильтра низких частот на макромодели CJFet ОУ фиг.4 в среде LTspice при воздействии потока нейтронов, t=27C, R1R6=5 кОм, R7R8=1 кОм,  С1=С4= (1591e-12)/2 Ф, С2=С3= 159.1e-12 Ф.
o
На чертеже фиг.10 представлены амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению ФНЧ фиг.9 при воздействии потока нейтронов и t=27C.
Операционный усилитель с парафазным выходом для активных RC фильтров, работающих в условиях воздействия потока нейтронов и низких температур (фиг. 2) содержит входной дифференциальный каскад 1, общая истоковая цепь которого согласована с первой 2 шиной источника питания, первую 3 и вторую 4 группы противофазных входов устройства, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 7 и второй 8 противофазные выходы устройства, между которыми включены последовательно соединенные первый 9 и второй 10 резисторы отрицательной обратной связи, первый 11 и второй 12 выходные полевые транзисторы с объединенными затворами, причем исток первого 11 выходного полевого транзистора связан со второй 13 шиной источника питания через первый 14 токостабилизирующий резистор, а исток второго 12 выходного полевого транзистора связан со второй 13 шиной источника питания через второй 15 токостабилизирующий резистор, первый 16 источник опорного тока, связанный со стоком первого 11 выходного полевого транзистора и входом первого 17 буферного усилителя, выход которого связан с первым 7 выходом устройства, второй 18 источник опорного тока, связанный со стоком второго 12 выходного полевого транзистора и входом второго 19 буферного усилителя, выход которого связан со вторым 8 выходом устройства, первый 20 вспомогательный полевой транзистор, исток которого связан со первой 2 шиной источника питания через третий 21 источник опорного тока, сток согласован со второй 13 шиной источника питания, а затвор соединен с общим узлом последовательно соединенных первого 9 и второго 10 резисторов отрицательной обратной связи, второй 22 вспомогательный полевой транзистор. В схему введены первый 23, второй 24 и третий 25 дополнительные полевые транзисторы, причем исток первого 23 дополнительного полевого транзистора соединен с первым 5 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, исток второго 24 дополнительного полевого транзистора соединен со вторым 6 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, сток первого 23 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком первого 11 выходного полевого транзистора, сток второго 24 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком второго 12 выходного полевого транзистора, между истоками первого 23 и второго 24 дополнительных полевых транзисторов включены последовательно соединенные первый 26 и второй 27 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с истоком третьего 25 дополнительного полевого транзистора, затвор которого согласован со второй 13 шиной источника питания, а сток подключен к первой 2 шине источника питания, затворы первого 11 и второго 12 выходных полевых транзисторов подключены ко второй 13 шине источника питания, затвор второго 22 вспомогательного полевого транзистора  соединен  с истоком первого 20 вспомогательного полевого транзистора, его сток связан со второй 13 шиной источника питания, а исток соединен с объединенными затворами первого 23 и второго 24 дополнительных полевых транзисторов и через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 28 связан с первой 2 шиной источника питания, причем в качестве всех упомянутых выше полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.
Входной дифференциальный каскад 1 в схеме фиг. 2 выполнен по многоканальной схеме, включающей несколько идентичных дифференциальных каскадов на транзисторах 29 и 30 (29.1, 29.2, …, 30.1, 30.2, …), а также источники опорного тока 31. Коррекция АЧХ в схеме фиг. 2 обеспечивается конденсаторами 32 и 33.
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 11 выходной полевой транзистор выполнен в виде первого каскодного составного транзистора на первом 34 и втором 35 вспомогательных полевых транзисторах, а второй 12 выходной полевой транзистор выполнен в виде второго каскодного составного транзистора на третьем 36 и четвертом 37 вспомогательных полевых транзисторах.
Рассмотрим работу заявляемого ОУ фиг. 2.
сф
сф
Основная проблема построения операционных усилителей с парафазным выходом для активных RC-фильтров, работающих в тяжелых условий эксплуатации, в т.ч. и заявляемой схемы фиг. 2, состоит в организации отрицательной обратной связи по выходному синфазному сигналу U, присутствующему на первом 7 и втором 8 выходах устройства. Как правило, U выделяется с помощью первого 9 и второго 10 резисторов отрицательной обратной связи (фиг. 2).
сф
Особенность заявляемой схемы ОУ фиг. 2 состоит в использовании для введения отрицательной обратной связи по синфазному сигналу каскодного усилителя на первом 23 и втором24 дополнительных полевых транзисторах. Если U здесь увеличивается, то это приводит к увеличению напряжения на затворах и, как следствие, напряжения на истоках первого 23 и второго 24 дополнительных полевых транзисторов. Учитывая, что потенциал на  затворе третьего 25 дополнительного полевого транзистора имеет фиксированное знечение, это приводит к увеличению токов через первый 26 и второй 27 дополнительные резисторы, увеличению токов стока первого 23 и второго 24 дополнительных полевых транзисторов и уменьшению токов стока первого 11 и второго 12 выходных полевых транзисторов. Как следствие, выходное синфазное напряжение на первом 7 и втором 8 выходах уменьшится. Данная обратная связь работает в широком диапазоне частот, температур и воздействии радиации, обеспечивая стабилизацию заданного уровня выходного синфазного напряжения ОУ.
Заявляемая схема фиг. 2 обладает также достаточно важным качеством  - ее входной каскад 1 может включать несколько параллельно включенных элементарных дифференциальных каскадов, т.е. иметь несколько независимых друг от другах входов (Вх.1.1, Вх.1.N, Вх.2.1, Вх.2.N, …). Данное качество является основным требованием при построения на базе архитектуры фиг. 2 так называемых мультидифференциальных операционных усилителей [27]. Этот класс ОУ, в отличие от классических ОУ с двумя входами [26], позволяет по-другому решать задачи усиления и преобразования сигналов датчиков, в т.ч. и ARCФ фильтрации сигналов датчиков.
Для повышения разомкнутого коэффициента усиления ОУ в схеме фиг. 3 предусмотрено выполнение первого 11 и второго 12 выходных полевых транзисторов  по каскодным структурам на первом 34 и втором 35 вспомогательных полевых транзисторах, а также на третьем 36 и четвертом 37 вспомогательных полевых транзисторах. Как показывает моделирование (фиг. 8), это позволяет обеспечить в заявляемом ОУ разомкнутый коэффициент усиления более 100 дБ в широком диапазоне температур и радиационных воздействий, что достаточно важно для применения предлагаемого ОУ в активных RC-фильтрах при тяжелых условиях эксплуатации (фиг. 10).
n
15
2
Замечательная особенность предлагаемого ОУ состоит также в том, что он выполнен на JFET транзисторах, которые обеспечивают работу ОУ и аналоговых устройств на его основе, например, ARC фильтров,  при криогенных температурах (фиг. 7) и воздействии потока нейтронов (фиг. 8) [53]. Для рассмотренного схемотехнического решения ОУ разработана макромодель с учетом воздействия потока нейтронов (Fn) и низких температур, которая была исследована в структуре фильтра нижних частот (ФНЧ) с дифференциальным входом и дифференциальным выходом при воздействии потока нейтронов (фиг. 10). Графики фиг. 10 показывают, что ФНЧ на основе рассматриваемого ОУ работоспособен при F<10 n/сm. При более высоких значениях Fn схема ФНЧ фиг. 9 не работает (фиг. 10).
Таким образом, предлагаемое устройство, предназначенное для проектирования ARC фильтров, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, имеет существенные преимущества в сравнении с ОУ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 6.937.100, 2005 г.
2. Патент US 6.956.434, fig.1, 2005 г.
3. Патент US 7.894.727, fig.3, 2011 г.
4. Патент US 5.880.634, fig.4,fig.7B, 1999 г.
5. Патент US 5.146.179, fig.2, 1992 г.
6. Патент US 6.624.697, fig.1, 2003 г.
7. Патент US 6.356.152, fig.4, 2002 г.
8. Патент US 6.329.849, fig.8, 2001 г.
9. Патент US 5.376.899, fig.1, 1994 г.
10. Патент US  6.750.715, fig.4, 2004 г.
11. Патент US 5.604.464, fig.2, 1997 г.
12. Патент US 5.847.607, fig.8, 1998 г.
13. Патент US 5.406.220, fig.2, 1995 г.
14. Патент US 6.628.168, fig.2, 2003 г.
15. Патент US 4.714.895, fig.1, 1997 г.
16. Патент EP 0 632 581, fig.3, 1995 г.
17. Патент US 4.697.152, fig.2,1987 г.
18. Патент US 5.212.455, 1993 г.
19. Патент US 6.804.305, fig.1, 2004 г.
20. Патент US 4.600.893, fig. 4, 1986 г.
21. Патент US 4.151.483, fig. 4, 1979 г.
22. Патент US 4.151.484, fig. 4, 1979 г.
23. Патент US 4.406.990, fig. 3, 1983 г.
24. Патент US 5.963.085, 1999 г.
25. Патент US 8.350.622, 2013 г.
26. I.M. Filanovsky, V.V. Ivanov, “Operational Amplifier Speed and Accuracy Improvement: Analog Circuit Design with Structural Methodology,” Kluwer Academic Publishers, New York, Boston, Dordrecht, London, 2004, 194 p.
27. Прокопенко Н.Н., Дворников О.В., Будяков П.С. Основные свойства, параметры и базовые схемы включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 2 (233), 2014 г. С. 53-64
28. 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.