Радиационно-стойкий дифференциальный усилитель
Владельцы патента RU 2475940:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является повышение стабильности коэффициента усиления по напряжению при радиационном воздействии. Радиационно-стойкий дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) с общей эмиттерной цепью (2), первым (3) и вторым (4) токовыми выходами, связанными с цепью коллекторной нагрузки (5) и выходами устройства (6), (7), первый (8) вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с общей эмиттерной цепью (2) входного дифференциального каскада (1), эмиттер подключен к шине источника питания (9) и эмиттеру второго (10) вспомогательного транзистора, а база соединена с базой второго (10) вспомогательного транзистора и эмиттером третьего (11) вспомогательного транзистора, причем база третьего (11) вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго (10) вспомогательного транзистора и через первый (12) токостабилизирующий двухполюсник связана со второй (13) шиной источника питания. Коллектор третьего (11) вспомогательного транзистора соединен с общей эмиттерной цепью (2) входного дифференциального каскада (1). 3 з.п. ф-лы, 7 ил.
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, аналоговых интерфесах).
В современной микроэлектронике широко применяются классические дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1), которые используются в качестве элементов эмиттерно-связанной логики, драйверов линий связи, элементарных операционных усилителей и фильтров. Коэффициент усиления по напряжению таких ДУ (Ку) существенно зависит от уровня радиации из-за деградации β-транзисторов.
Для установления статического режима дифференциальных каскадов широко используются источники опорного тока на трех транзисторах (фиг.1) [1-9], которые однако не обеспечивают высокий уровень стабильности коэффициента усиления при воздействии потока нейтронов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №7737783. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с общей эмиттерной цепью 2, первым 3 и вторым 4 токовыми выходами, связанными с цепью коллекторной нагрузки 5 и выходами устройства 6, 7, первый 8 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с общей эмиттерной цепью 2 входного дифференциального каскада 1, эмиттер подключен к шине источника питания 9 и эмиттеру второго 10 вспомогательного транзистора, а база соединена с базой второго 10 вспомогательного транзистора и эмиттером третьего 11 вспомогательного транзистора, причем база третьего 11 вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго 10 вспомогательного транзистора и через первый 12 токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 13 шиной источника питания,
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что под влиянием потока нейтронов его коэффициент усиления по напряжению существенно изменяется.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении стабильности коэффициента усиления по напряжению при радиационном воздействии.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с общей эмиттерной цепью 2, первым 3 и вторым 4 токовыми выходами, связанными с цепью коллекторной нагрузки 5 и выходами устройства 6, 7, первый 8 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с общей эмиттерной цепью 2 входного дифференциального каскада 1, эмиттер подключен к шине источника питания 9 и эмиттеру второго 10 вспомогательного транзистора, а база соединена с базой второго 10 вспомогательного транзистора и эмиттером третьего 11 вспомогательного транзистора, причем база третьего 11 вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго 10 вспомогательного транзистора и через первый 12 токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 13 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор третьего 11 вспомогательного транзистора соединен с общей эмиттерной цепью 2 входного дифференциального каскада 1.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 - п.4 формулы изобретения, показана на фиг.2. На фиг.3 представлен ДУ фиг.1. в котором показано конкретное выполнение входного каскада 1 в виде каскодного усилителя, а также цепи смещения потенциалов 16.
На фиг.4 показана моделируемая схема ДУ (PSpice модель n-p-n транзистора АВМК_1_3 НПО «Интеграл» г.Минск).
На фиг.5 приведена зависимость коэффициента усиления (Ку) от потока нейтронов F [н/м2] на частоте 5 МГц сравниваемых схем ДУ (прототипа фиг.1 и заявляемого ДУ фиг.4), а на чертеже фиг.6 - зависимость нормированных коэффициентов усиления по напряжению данных сравниваемых схем ДУ от потока нейтронов F [н/м2].
На фиг.7 приведена зависимость нормированных коэффициентов усиления по напряжению сравниваемых схем ДУ от потока нейтронов с увеличенным масштабом участка перекомпенсации.
Радиационно-стойкий дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с общей эмиттерной цепью 2, первым 3 и вторым 4 токовыми выходами, связанными с цепью коллекторной нагрузки 5 и выходами устройства 6, 7, первый 8 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с общей эмиттерной цепью 2 входного дифференциального каскада 1, эмиттер подключен к шине источника питания 9 и эмиттеру второго 10 вспомогательного транзистора, а база соединена с базой второго 10 вспомогательного транзистора и эмиттером третьего 11 вспомогательного транзистора, причем база третьего 11 вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго 10 вспомогательного транзистора и через первый 12 токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 13 шиной источника питания. Коллектор третьего 11 вспомогательного транзистора соединен с общей эмиттерной цепью 2 входного дифференциального каскада 1.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, параллельно эмиттерно-базовому переходу третьего 11 вспомогательного транзистора включены эмиттерно-базовые переходы m≥1 дополнительных биполярных транзисторов 14.1, 14.2…, коллекторы которых подключены ко второй 13 шине источника питания.
Кроме этого, на фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, параллельно эмиттерно-базовому переходу первого 8 вспомогательного транзистора включены эмиттерно-базовые переходы С≥1 компенсирующих транзисторов 15.1, 15.2…, причем коллекторы всех С≥1 компенсирующих транзисторов соединены с шиной положительного источника питания 6.
На фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, коллектор первого 8 вспомогательного транзистора связан с общей эмиттерной цепью 2 входного каскада 1 через цепь смещения потенциалов 16, содержащую p-n переходы 21, 22, а входной каскад 1 реализован по классической схеме на транзисторах 17, 18, 19, 20. Для обеспечения идентичности статического режима транзисторов 8 и 10 по напряжению «коллектор-база» в эмиттер транзистора 11 включен p-n переход 23.
Рассмотрим работу известного, фиг.1, и предлагаемого, фиг.2, устройств.
Под воздействием радиации коэффициент усиления по напряжению (Ку) дифференциального усилителя фиг.1 деградирует. Рассмотрим факторы, влияющие на радиационную зависимость Ку в схеме фиг.1, а также принципы стабилизации этого важного динамического параметра в ДУ, фиг.2.
Основные уравнения на переменном токе для схемы фиг.1:
где iэ - приращение эмиттерного тока входных транзисторов ДУ под действием uвx.
rэ1=rэ2 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов VT1, VT2, образующих входной каскад 1;
;
φт - температурный потенциал; βi - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора;
;
Iэ1=I0/2 - статический ток эмиттера входных транзисторов.
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.1
Уравнение (4) показывает, что при радиационном воздействии на дифференциальный каскад, фиг.1, изменение его Ку (при Rн=const, I0=const, φT=const) связано с деградацией β транзисторов.
Рассмотрим далее работу схемы на фиг.2.
Минимизация отрицательного влияния радиации на Ку может быть обеспечена путем целенаправленного управления током I0, который должен быть радиационно зависимым.
Уравнение (4) можно представить в виде
где 
; 
Для получения высокой стабильности Ку необходимо, чтобы произведение I0·F(β)=const, то есть ток I0 должен иметь функциональную связь с β транзисторов и под действием радиации изменяться по закону:
где 
- составляющая тока I0, не зависящая от β транзисторов;
- составляющая тока I0, зависящая от β транзисторов и возрастающая по закону 
под влиянием радиации.
Таким образом, в связи с уменьшением β транзисторов под действием потока нейтронов для стабилизации коэффициента усиления по напряжению в ДУ необходимо увеличивать ток общей эмиттерной цепи I0 в соответствии с уравнением (6).
Последние уравнения позволяют объяснить работу схемы ДУ фиг.2, имеющую заданную зависимость коэффициента усиления по напряжению от радиации.
Действительно, суммарный ток общей эмиттерной цепи ДУ фиг.2 зависит от коэффициентов «m» (14.1, 14.2) и «C» (15.1 и 15.2) числа транзисторов 14 и 15, а также коэффициента усиления по току базы (β) транзисторов 10, 8, 15:
За счет выбора коэффициентов m и C можно обеспечить заданную зависимость суммарного тока общей эмиттерной цепи ДУ от потока нейтронов.
Фиг.6 и 7 показывают, что при m=0, C=0 предлагаемый ДУ имеет перекомпенсацию радиационной зависимости Ку - с увеличением потока нейтронов Ку в данном случае увеличивается.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом по уровню радиационной стабильности Ку и возможности (за счет изменения коэффициентов m и C) управлять характером этой зависимости.
Литература
1. Патентная заявка JP №2004/214910 А 2004729.
2. Патентная заявка US №2009/0195312, fig.1.
3. Патентная заявка WO №2003/028210.
4. Патентная заявка US №2003/0169112, fig.7.
5. Патентная заявка US №2004/0227477, fig.1.
6. Патентная заявка US №2009/0184766.
7. Патент US №7737783.
8. Патент JP №54-34589, 98 (5) A 014.
9. Патентная заявка US №2006/0012432, fig.4A.
1. Радиационно-стойкий дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с общей эмиттерной цепью (2), первым (3) и вторым (4) токовыми выходами, связанными с цепью коллекторной нагрузки (5) и выходами устройства (6), (7), первый (8) вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с общей эмиттерной цепью (2) входного дифференциального каскада (1), эмиттер подключен к шине источника питания (9) и эмиттеру второго (10) вспомогательного транзистора, а база соединена с базой второго (10) вспомогательного транзистора и эмиттером третьего (11) вспомогательного транзистора, причем база третьего (11) вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго (10) вспомогательного транзистора и через первый (12) токостабилизирующий двухполюсник связана со второй (13) шиной источника питания, отличающийся тем, что коллектор третьего (11) вспомогательного транзистора соединен с общей эмиттерной цепью (2) входного дифференциального каскада (1).
2. Радиационно-стойкий дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что параллельно эмиттерно-базовому переходу третьего (11) вспомогательного транзистора включены эмиттерно-базовые переходы m≥1 дополнительных биполярных транзисторов (14.1), (14.2), коллекторы которых подключены ко второй (13) шине источника питания.
3. Радиационно-стойкий дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что параллельно эмиттерно-базовому переходу первого (8) вспомогательного транзистора включены эмиттерно-базовые переходы С≥1 компенсирующих транзисторов (15.1), (15.2), причем коллекторы всех С компенсирующих транзисторов соединены с шиной положительного источника питания (6).
4. Радиационно-стойкий дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коллектор первого (8) вспомогательного транзистора связан с общей эмиттерной цепью (2) входного каскада (1) через цепь смещения потенциалов (16).
