БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ "ПЕРЕГНУТОГО" КАСКОДА
BIPOLAR-FIELD OPERATIONAL AMPLIFIER ON BASIS OF "BENT" CASCODE

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, выполненные на основе архитектуры так называемого «перегнутого каскода» [1-21]. Их основные достоинства - расширенный частотный диапазон, а также эффективное использование напряжения питания.
см
13
2
Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие ОУ с малым напряжением смещения нуля (U) и низким током потребления в статическом режиме. Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно на основе новой схемотехники и использования биполярно-полевого технологического процесса [22], 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 необходимы специальные схемотехнические решения, учитывающие ограничения биполярно-полевой технологии [22].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 7.215.200, fig. 6. 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 эмиттером первого 7 выходного транзистора, который через первый 8 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с эмиттером второго 11 выходного транзистора, который через второй 12 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, цепь динамической нагрузки 13, согласованную с первой 3 шиной источника питания, вход которой 14 подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход 15 связан с выходом устройства 16 и коллектором второго 11 выходного транзистора, причем базы первого 7 и второго 11 выходных транзисторов соединены друг с другом.
c
см
Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что его общее токопотребление зависит от числа параллельных ветвей, связывающих первую 3 и вторую 9 шины питания, в число которых входит источник напряжения E, обеспечивающий статический режим по базовой цепи первого 7 и второго 11 выходных транзисторов. Кроме этого в диапазоне рабочих, прежде всего низких, температур, а также при воздействии потока нейтронов он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля (U) (единицы-десятки милливольт). В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении статического тока, потребляемого ОУ от источников питания (без нагрузки).
Дополнительная задача - уменьшение напряжения смещения нуля.
Поставленные задачи достигаются 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 эмиттером первого 7 выходного транзистора, который через первый 8 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с эмиттером второго 11 выходного транзистора, который через второй 12 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, цепь динамической нагрузки 13, согласованную с первой 3 шиной источника питания, вход которой 14 подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход 15 связан с выходом устройства 16 и коллектором второго 11 выходного транзистора, причем базы первого 7 и второго 11 выходных транзисторов соединены друг с другом, предусмотрены новые элементы и связи - первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером первого 7 выходного транзистора через первый 17 прямосмещенный p-n-переход, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером второго 11 выходного транзистора через второй 18 прямосмещенный p-n-переход, между первым 6 и вторым 10 токовыми выходами входного дифференциального каскада включены последовательно соединенные первый 19 и второй 20 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого 7 и второго 11 выходных транзисторов.
На чертеже фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 показана схема, характеризующая частные варианты построения первого 17 и второго 18 прямосмещенных p-n переходов в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
В схеме фиг. 4 первый 17 и второй 18 прямосмещенные p-n переходы реализованы (в соответствии с п. 3 формулы изобретения) на транзисторах 24, 25 и резисторах 26, 27.
На чертеже фиг. 5 приведена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).
На чертеже фиг. 6 представлены амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя фиг. 5 без отрицательной обратной связи и со 100% отрицательной обратной связью.
На чертеже фиг. 7 показана зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 5 от температуры, а на чертеже фиг. 8 - от потока нейтронов.
Биполярно-полевой операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода 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 эмиттером первого 7 выходного транзистора, который через первый 8 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с эмиттером второго 11 выходного транзистора, который через второй 12 токостабилизирующий резистор соединен со второй 9 шиной источника питания, цепь динамической нагрузки 13, согласованную с первой 3 шиной источника питания, вход которой 14 подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход 15 связан с выходом устройства 16 и коллектором второго 11 выходного транзистора, причем базы первого 7 и второго 11 выходных транзисторов соединены друг с другом. Первый 6 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером первого 7 выходного транзистора через первый 17 прямосмещенный p-n-переход, второй 10 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером второго 11 выходного транзистора через второй 18 прямосмещенный p-n-переход, между первым 6 и вторым 10 токовыми выходами входного дифференциального каскада включены последовательно соединенные первый 19 и второй 20 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого 7 и второго 11 выходных транзисторов.
В схеме фиг. 2 входной дифференциальный каскад 1 содержит источник опорного тока 21, связанный с истоками входных полевых транзисторов 22 и 23.
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 17 и второй 18 прямосмещенные p-n-переходы схемы фиг. 2 реализованы в виде первого 24 и второго 25 биполярных транзисторов, причем коллектор первого 24 биполярного транзистора связан с базой данного транзистора, а коллектор второго 25 биполярного транзистора связан с базой второго 25 биполярного транзистора.
На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 3 формулы изобретения (который предусматривает другое конкретное выполнение первого 17 и второго 18 прямосмещенных p-n переходов в схеме фиг. 2), коллектор первого 24 биполярного транзистора связан с базой данного транзистора; через первый 26 вспомогательный резистор, а коллектор второго 25 биполярного транзистора связан с базой второго 25 биполярного транзистора через второй 27 вспомогательный резистор.
Рассмотрим работу ОУ фиг. 2.
21
0
d17
эб.7
d18
эб.11
эб.i
ci
кс
Статический режим транзисторов схемы фиг. 2 устанавливается входным дифференциальным каскадом 1 - его источником опорного тока 21 (I=2I). Численные значения сопротивлений дополнительных резисторов 19 и 20 могут быть небольшими 0,2-1 кОм. Как следствие, напряжения на двухполюсниках 17 и 18 U≈U, U≈U, где U - напряжения эмиттер-база первого 7 и второго 11 выходных транзисторов. При этом токи стока (I) входных полевых транзисторов 22 и 23 и токи коллекторов (i) первого 7 и второго 11 выходных транзисторов (при их коэффициентах усиления по току базы β>>1) определяются уравнениями Кирхгофа:
21
17
18
R8
R12
где I, I, I, I, I - токи двухполюсников 21, 17, 18, 8, 12 соответственно. Таким образом, статический режим ОУ фиг. 2 устанавливается единственным источником опорного тока 21, который может быть достаточно стабильным.
Общее токопотребление схемы фиг. 2 в статическом режиме (без нагрузки) определяется суммой токов четырех параллельных ветвей схемы, включенных между шинами источников питания 3 и 9:
с22
c23
где I, I - токи стока транзисторов 22 и 23,
к7
к11
I, I - токи коллекторов транзисторов 7 и 11.
Сравнение токопотребления заявляемой схемы и схемы-прототипа (фиг. 1) показывает, что в известной схеме фиг. 1
Ec
c
где I - статический ток источника смещения E.
c
Следует заметить, что источник E при высоких требованиях по прецизионности часто выполняется по достаточно сложным схемам, содержащим несколько транзисторов. В заявляемом устройстве используется только один прецизионный элемент - источник опорного тока 21, входящий в структуру входного каскада 1. Кроме этого заявляемый ОУ имеет высокие предельные возможности по величине напряжения смещения нуля при воздействии температуры (фиг. 7) и потока нейтронов (фиг. 8).
В схеме фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, предусмотрена дополнительная компенсация влияния на статический режим токов базы транзисторов 7, 11 и 24, 25. Это обеспечивается соответствующим выбором сопротивлений дополнительных и вспомогательных резисторов: R19=R20=R26=R27.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ОУ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патентная заявка US №2002/0196079, fig 1
2. Патент US №4.600.893, fig. 7
3. Патент US №4.406.990, fig. 4
4. Патент US №4.004.245
5. Патент US №7.411.451, fig. 5
6. Патент US №6.788.143
7. Патент US №5.420.540
8. Патент США №5.422.600, фиг. 2
9. Патент США №4.406.990, фиг. 4
10. Патент США №5.952.882
11. Патент США №4.723.111
12. Патент США №4.293.824
13. Патент США №5.323.121
14. Патент США №5.420.540 fig. 1
15. Патент RU №2.354.041 С1
16. Патентная заявка США №2003/0201828 fig 1, fig 2
17. Патент США №6.825.721 fig 1, fig 2
18. Патент США №6.542.030 fig. 1
19. Патент US 6.456.162, fig. 2
20. Патент US 6.501.333
21. Патент US 6.717.466
22. 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.