Биполярно-полевой операционный усилитель

Авторы патента:

Бугакова Анна Витальевна (RU)

Мальцева Джамиля Адалетовна (RU)

Прокопенко Николай Николаевич (RU)

Игнашин Андрей Алексеевич (RU)

H03F3/45 - дифференциальные усилители

H03F3/00 - Усилители, имеющие в качестве усилительных элементов только электронные или только полупроводниковые приборы

Владельцы патента RU 2642337:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в расширении диапазона изменения отрицательного выходного напряжения ОУ до уровня, близкого к напряжению на второй (12) шине источника питания, и повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (К_ос.сф) ОУ. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1), шину источника питания, полевой транзистор, резистивную цепь установления статического режима (17), связанную с шиной источника питания, выходной биполярный транзистор. 6 ил.

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, в которых выходными напряжениями входного каскодного дифференциального каскада являются напряжения не на стоках, а на истоках выходных транзисторов [1-5]. Они имеют ряд преимуществ (в сравнении с классическими ОУ) по диапазону рабочих частот, уровню нелинейных искажений, быстродействию и т.п. Заявляемый ОУ относится к данному подклассу устройств.

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы прецизионные радиационно стойкие ОУ с расширенным диапазоном изменения выходного напряжения при низковольтном питании и повышенным коэффициентом ослабления входных синфазных сигналов. Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [6], обеспечивающего формирование р-канальных полевых и высококачественных n-p-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 10¹³ н/см². Однако для таких ОУ необходима специальная схемотехника, учитывающая ограничения биполярно-полевой технологии [6-10].

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 5.218.319 (кроме этого, данная структура представлена в патентах US 6.756.847 fig. 1, US 5.914.639). 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 истоком первого 7 выходного полевого транзистора и базой первого 8 выходного биполярного транзистора, второй 9 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с истоком второго 10 выходного полевого транзистора и базой второго 11 выходного биполярного транзистора, вторую 12 шину источника питания, которая связана с объединенными стоками первого 7 и второго 10 выходных транзисторов, цепь динамической нагрузки 13, вход которой 14 соединен с коллектором второго 11 выходного биполярного транзистора, а выход 15 связан с выходом устройства 16 и подключен к коллектору первого 8 выходного биполярного транзистора, резистивную цепь установления статического режима 17, связанную со второй 12 шиной источника питания, первый вход 18 которой подключен к эмиттеру первого 8 выходного биполярного транзистора, а второй вход 19 подключен к эмиттеру второго 11 выходного биполярного транзистора, причем затворы первого 7 и второго 10 выходных транзисторов соединены друг с другом.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что в нем не обеспечивается широкий диапазон изменения отрицательного выходного напряжения , что особенно проявляется при низковольтном питании (2,5÷3 В). Кроме этого, известная схема ОУ не обеспечивает также высокое ослабление входных синфазных сигналов и характеризуется повышенной нестабильностью статического режима транзисторов.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона изменения отрицательного выходного напряжения ОУ до уровня, близкого к напряжению на второй 12 шине источника питания.

Дополнительная задача - повышение коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (К_ос.сф) ОУ.

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 истоком первого 7 выходного полевого транзистора и базой первого 8 выходного биполярного транзистора, второй 9 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с истоком второго 10 выходного полевого транзистора и базой второго 11 выходного биполярного транзистора, вторую 12 шину источника питания, которая связана с объединенными стоками первого 7 и второго 10 выходных транзисторов, цепь динамической нагрузки 13, вход которой 14 соединен с коллектором второго 11 выходного биполярного транзистора, а выход 15 связан с выходом устройства 16 и подключен к коллектору первого 8 выходного биполярного транзистора, резистивную цепь установления статического режима 17, связанную со второй 12 шиной источника питания, первый вход 18 которой подключен к эмиттеру первого 8 выходного биполярного транзистора, а второй вход 19 подключен к эмиттеру второго 11 выходного биполярного транзистора, причем затворы первого 7 и второго 10 выходных транзисторов соединены друг с другом, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 20 и второй 21 дополнительные биполярные транзисторы, база первого 20 дополнительного биполярного транзистора соединена с базой первого 8 выходного биполярного транзистора, эмиттер первого 20 дополнительного биполярного транзистора подключен к эмиттеру первого 8 выходного биполярного транзистора, коллектор первого 20 дополнительного биполярного транзистора соединен с затвором первого 7 выходного полевого транзистора, база второго 21 дополнительного биполярного транзистора соединена с базой второго 11 выходного биполярного транзистора, эмиттер второго 21 дополнительного биполярного транзистора соединен с эмиттером второго 11 выходного биполярного транзистора, коллектор второго 21 дополнительного биполярного транзистора соединен с затвором второго 10 выходного полевого транзистора, причем объединенные затворы первого 7 и второго 10 выходных полевых транзисторов связаны с первой 3 шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 22.

На фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 показаны частные варианты резистивной цепи установления статического режима 17.

На фиг. 4 приведена схема ОУ, фиг. 2, в среде PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 5 представлена амплитудно-частотная характеристика скорректированного ОУ фиг. 4 без обратной связи при сопротивлении резистора 29 (фиг. 3а) R29=250 Ом (или в обозначениях фиг. 4 - R1=250 Ом).

На фиг. 6 представлена амплитудно-частотная характеристика ОУ фиг. 4 без обратной связи при сопротивлении резистора 29 (фиг. 3а) R29=1 Ом (или в обозначениях фиг. 4 - R1=250 Ом).

Компьютерное моделирование показывает, что в заявляемой схеме эмиттеры транзисторов 8, 11, 20, 21 могут, в частном случае, иметь потенциал второй 12 шины источника питания. При этом основные параметры ОУ не деградируют, а максимальная амплитуда отрицательного выходного напряжения ОУ будет близка к напряжению на второй 12 шине источника питания.

Биполярно-полевой операционный усилитель 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 истоком первого 7 выходного полевого транзистора и базой первого 8 выходного биполярного транзистора, второй 9 токовый выход входного дифференциального каскада 1, связанный с истоком второго 10 выходного полевого транзистора и базой второго 11 выходного биполярного транзистора, вторую 12 шину источника питания, которая связана с объединенными стоками первого 7 и второго 10 выходных транзисторов, цепь динамической нагрузки 13, вход которой 14 соединен с коллектором второго 11 выходного биполярного транзистора, а выход 15 связан с выходом устройства 16 и подключен к коллектору первого 8 выходного биполярного транзистора, резистивную цепь установления статического режима 17, связанную со второй 12 шиной источника питания, первый вход 18 которой подключен к эмиттеру первого 8 выходного биполярного транзистора, а второй вход 19 подключен к эмиттеру второго 11 выходного биполярного транзистора, причем затворы первого 7 и второго 10 выходных транзисторов соединены друг с другом. В схему введены первый 20 и второй 21 дополнительные биполярные транзисторы, база первого 20 дополнительного биполярного транзистора соединена с базой первого 8 выходного биполярного транзистора, эмиттер первого 20 дополнительного биполярного транзистора подключен к эмиттеру первого 8 выходного биполярного транзистора, коллектор первого 20 дополнительного биполярного транзистора соединен с затвором первого 7 выходного полевого транзистора, база второго 21 дополнительного биполярного транзистора соединена с базой второго 11 выходного биполярного транзистора, эмиттер второго 21 дополнительного биполярного транзистора соединен с эмиттером второго 11 выходного биполярного транзистора, коллектор второго 21 дополнительного биполярного транзистора соединен с затвором второго 10 выходного полевого транзистора, причем объединенные затворы первого 7 и второго 10 выходных полевых транзисторов связаны с первой 3 шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 22.

На фиг. 2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на входных полевых транзисторах 23, 24 и источнике опорного тока 25.

В частном случае резистивная цепь установления статического режима 17 может содержать вспомогательные резисторы 26, 27 и 28 (фиг. 3а) или один вспомогательный резистор 29 (фиг. 3б).

Для уменьшения выходного сопротивления ОУ к выходу 16 схемы, фиг. 2, может подключаться буферный усилитель Gain=1 (фиг. 4).

Рассмотрим работу ОУ, фиг. 2.

Статический режим транзисторов схемы, фиг. 2, устанавливается источниками опорного тока 25 и 22. При этом токи стока (I_ci) и токи коллекторов (I_кi) транзисторов схемы определяются с учетом местной отрицательной обратной связи уравнениями Кирхгофа:

где I₂₅, I₂₂ - токи источника опорного тока 25 и дополнительного токостабилизирующего двухполюсника 22.

Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению схемы ОУ фиг. 2 определяется произведением:

где u_вых.16 - приращение выходного напряжения ОУ в узле 16, вызванное изменением напряжения (u_вх.=u_вх.4.5) между входами 4 и 5 ОУ;

- коэффициент преобразования напряжения между входами 4

и 5 ОУ (u_вх) в напряжение между первым 6 и вторым 9 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1;

- коэффициент передачи дифференциального напряжения u_9-6 между узлами 9 и 6 на выход ОУ 16.

Причем

где R_экв.9-6 - эквивалентное дифференциальное сопротивление между узлами 9 и 6;

R_экв.16 - эквивалентное сопротивление в высокоимпедансном выходном узле ОУ 16.

Причем в формулах (9) и (10):

Где S₂₃, S₂₄ - крутизны стокозатворной характеристики соответствующих полевых транзисторов 23, 24;

R₂₈ - сопротивление резистора 28;

r_э11=r_э8=ϕ_т/I₀ - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 11 и 8;

ϕ_т=25 мВ - температурный потенциал.

Численное значение эквивалентного сопротивления R_экв.16 близко к сопротивлениям закрытых коллекторов переходов выходных транзисторов цепи динамической нагрузки 13, выполненной в виде токового зеркала, и транзистора 8, а сопротивление R_экв.9-6 определяется, в основном, входным сопротивлением цепи истока полевых транзисторов 7 и 10:

Как следствие, коэффициент усиления по напряжению разомкнутого ОУ, фиг. 2, получается достаточно большим (≈10³, фиг. 6).

В заявляемой схеме ОУ (в сравнении с прототипом) повышается также коэффициент ослабления входных синфазных сигналов (К_ос.сф). Данный эффект объясняется повышенной симметрией схемы ОУ фиг. 2 и введением за счет новых элементов отрицательной обратной связи по синфазному сигналу в выходной цепи входного дифференциального каскада 1 (транзисторы 21 и 20) [11].

За счет высокой симметрии схемы ОУ и введения отрицательной обратной связи напряжение смещения нуля заявляемого ОУ (U_см) измеряется микровольтами (при условии высокой идентичности используемых транзисторов и идеальном токовом зеркале 13).

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ОУ-прототипом.

Источники и информации

1. Патент US 5.218.319, fig. 1, fig. 3а.

2. Патент US 7.639.079, fig. 10.

3. Патент US 6.756.847, fig. 1.

4. Патент US 7.142.056, fig. 1.

5. Патент US 5.914.639.

6. 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.

7. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 1 /О. Дворников // Компоненты и технологии, №6, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_6_218.php.

8. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 2 /О. Дворников // Компоненты и технологии, №7, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_7_216.php.

9. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 3 /О. Дворников // Компоненты и технологии, №8, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_8_184.php.

10. Схемотехника биполярно-полевых аналоговых микросхем. Часть 4. Источники тока для особых применений / О. Дворников // Chip News, №3(96), 2005. - С. 66-68.

11. Архитектура и схемотехника дифференциальных усилителей с повышенным ослаблением синфазных сигналов: монография / Н.Н. Прокопенко, С.В. Крюков. - Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2008. - 329 с.

Биполярно-полевой операционный усилитель, содержащий 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 истоком первого (7) выходного полевого транзистора и базой первого (8) выходного биполярного транзистора, второй (9) токовый выход входного дифференциального каскада (1), связанный с истоком второго (10) выходного полевого транзистора и базой второго (11) выходного биполярного транзистора, вторую (12) шину источника питания, которая связана с объединенными стоками первого (7) и второго (10) выходных транзисторов, цепь динамической нагрузки (13), вход которой (14) соединен с коллектором второго (11) выходного биполярного транзистора, а выход (15) связан с выходом устройства (16) и подключен к коллектору первого (8) выходного биполярного транзистора, резистивную цепь установления статического режима (17), связанную со второй (12) шиной источника питания, первый вход (18) которой подключен к эмиттеру первого (8) выходного биполярного транзистора, а второй вход (19) подключен к эмиттеру второго (11) выходного биполярного транзистора, причем затворы первого (7) и второго (10) выходных транзисторов соединены друг с другом, отличающийся тем, что в схему введены первый (20) и второй (21) дополнительные биполярные транзисторы, база первого (20) дополнительного биполярного транзистора соединена с базой первого (8) выходного биполярного транзистора, эмиттер первого (20) дополнительного биполярного транзистора подключен к эмиттеру первого (8) выходного биполярного транзистора, коллектор первого (20) дополнительного биполярного транзистора соединен с затвором первого (7) выходного полевого транзистора, база второго (21) дополнительного биполярного транзистора соединена с базой второго (11) выходного биполярного транзистора, эмиттер второго (21) дополнительного биполярного транзистора соединен с эмиттером второго (11) выходного биполярного транзистора, коллектор второго (21) дополнительного биполярного транзистора соединен с затвором второго (10) выходного полевого транзистора, причем объединенные затворы первого (7) и второго (10) выходных полевых транзисторов связаны с первой (3) шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (22).

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат заключается в повышении верхней граничной частоты коэффициента усиления по напряжению без увеличения тока потребления.

Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала // 2637465

Изобретение относится к области электроники и радиотехники. Технический результат: уменьшение коэффициента передачи входного синфазного сигнала.

Радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель для работы при низких температурах // 2628131

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат заключается в уменьшении систематической составляющей напряжения смещения нуля.

Низкотемпературный радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель // 2627094

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат: уменьшение систематической составляющей напряжения смещения нуля, а также создание условий для применения в схеме заявляемого устройства КМОП транзисторов.

Многоканальный быстродействующий операционный усилитель // 2626667

Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники. Технический результат: повышение быстродействия ОУ в режиме большого сигнала до уровня 20000 В/мкс.

Низкотемпературный радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель // 2624585

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления электрических сигналов различных датчиков.

Инструментальный усилитель для работы при низких температурах // 2624565

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных датчиков. Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала при работе в диапазоне низких температур.

Мультиплексор потенциальных сигналов датчиков // 2621292

Изобретение относится к области радиоэлектроники и вычислительной техники. Технический результат заключается в обеспечении дополнительно к режиму последовательного во времени преобразования входных потенциальных сигналов в выходное напряжение, алгебраического суммирования входных дифференциальных и недифференциальных напряжений, а также изменения их фазы в процессе мультиплексирования.

Дифференциальный инструментальный усилитель с парафазным выходом // 2621291

Изобретение относится к области аналоговой усилительной техники. Технический результат: повышение значения коэффициента передачи по напряжению.

Двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель с повышенным коэффициентом усиления // 2621289

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению (Ку) при сохранении высокой температурной и радиационной стабильности напряжения смещения нуля.

Каскодный дифференциальный операционный усилитель // 2640744

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении разомкнутого коэффициента усиления по напряжению операционного усилителя.

Устройство и способ усиления электрических сигналов (варианты) // 2639948

Изобретение относится к устройствам усиления электрических сигналов на основе резонансных преобразователей электрической энергии. Задачей и техническим результатом является в способе и устройстве увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров от величины нагрузки с увеличением добротности резонансных контуров за счет однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания к нагрузке, исключения сопротивления нагрузки из электрической цепи, обеспечивающей параметрическое усиление электрических колебаний, и использования энергии электрического поля уединенных емкостей, что приводит к параметрическому изменению емкости в резонансных контурах высоковольтных обмоток трансформаторов Тесла.

Магнитный реверсивный усилитель (его варианты) // 2638633

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для регулирования обмоток генераторов. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия.

Импульсный усилитель свч // 2634226

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в устройствах радиолокации. Технический результат заключается в повышении надежности устройства, который достигается за счет того, что в устройство, содержащее ЛБВ, источник питания анода (ИПА), источник питания коллектора (ИПК), источник питания накала (ИПН), источник напряжения отпирания (Uотп), источник напряжения запирания (Uзап), модулятор и диод, причем источники первым выводом соединены с катодом ЛБВ, а вторым выводом соответственно - с замедляющей системой (ЗС), коллектором и накалом ЛБВ и входами модулятора, выход модулятора соединен с анодом диода, катод которого соединен с другим выводом источника напряжения Uотп, введены коммутатор, датчик тока, резистор и второй диод.

Каскадный распределённый усилитель свч // 2634186

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к вакуумным усилителям с распределенным взаимодействием. Техническим результатом является снижение входной емкости распределенного усилителя и, как следствие, увеличение верхней границы рабочего диапазона частот, а так же снижение массогабаритных показателей распределенного усилителя.

Полосовой усилитель // 2626553

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических установках. Технический результат заключается в увеличении динамического диапазона при усилении сигналов в узком диапазоне частот за счет снижения уровня шумов.

Устройство и способ усиления электрических сигналов (варианты) // 2622845

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в устройствах усиления электрических сигналов. Технический результат - увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров устройства от величины нагрузки.

Устройство формирования и передачи радиочастотных сигналов с использованием широтно-импульсной модуляции // 2616472

Изобретение относится к радиоэлектронной технике. Технический результат изобретения заключается в повышении КПД и его стабильности, снижении массы и габаритов.

Операционный усилитель // 2615066

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат заключается в повышении прецизионности операционного усилителя в условиях дестабилизирующих факторов.

Импульсный трехкаскадный усилитель мощности свч // 2601168

Изобретение относится к электронной технике СВЧ и может быть использовано преимущественно в качестве многокаскадных передатчиков повышенной мощности. Технический результат заключается в повышении КПД, выходной мощности, надежности и устойчивости в работе, а также снижении энергопотребления.

Неинвертирующий усилитель переменного тока // 2642338

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве неинвертирующего усилителя переменного тока с коэффициентом передачи по току больше единицы. Технический результат: повышение коэффициентов усиления по току до уровня, который превышает единичное значение. Неинвертирующий усилитель переменного тока содержит источник входного токового сигнала, связанный с эмиттером первого выходного транзистора, первый токостабилизирующий двухполюсник, первый и второй выходные транзисторы, первую шину источника питания, источник напряжения смещения, второй токостабилизирующий двухполюсник, двухполюсник нагрузки, включенный между токовым выходом устройства и второй шиной источника питания. В схему введен дополнительный транзистор, база которого соединена с эмиттером первого выходного транзистора, коллектор связан со второй шиной источника питания, эмиттер соединен с первой шиной источника питания через третий токостабилизирующий двухполюсник и через дополнительный конденсатор связан с эмиттером второго выходного транзистора, причем базы первого и второго выходных транзисторов соединены друг с другом. 4 ил.