Составной транзистор на основе комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в качестве активного (усилительного) элемента (трёхполюсника) в различных аналоговых и аналого-цифровых устройствах (активных RC-фильтрах, операционных усилителях, стабилизаторах напряжения, электронных ключах и т.п.). Технический результат: создание радиационно-стойкого и низкотемпературного составного транзистора на комплементарных полевых транзисторах, эквивалентного по своим стоко-затворным характеристикам КМОП транзистору, обеспечивающего высокое выходное сопротивление по цепи эквивалентного стока устройства. Составной транзистор на основе комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом содержит эквивалентный затвор (1) устройства, эквивалентный исток (2) устройства, согласованный с первой (3) шиной источника питания, эквивалентный сток (4) устройства, согласованный со второй (5) шиной источника питания, первый (6) входной полевой транзистор, затвор которого подключен к эквивалентному затвору (1) устройства, второй (7) полевой транзистор. Сток первого (6) входного полевого транзистора соединен с эквивалентным истоком (2) устройства, исток первого (6) входного полевого транзистора соединен с истоком второго (7) полевого транзистора, затвор которого связан с эквивалентным истоком (2) устройства, причем в схему введен дополнительный полевой транзистор (8), исток которого соединен со стоком второго (7) полевого транзистора, затвор подключен к затвору первого (6) входного полевого транзистора, а его сток соединен с эквивалентным стоком (4) устройства. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в качестве активного (усилительного) элемента – (трехполюсника) в различных аналоговых и аналого-цифровых устройствах (АRC-фильтрах, операционных усилителях, стабилизаторах напряжения, электронных ключах и т.п.).

В современной микроэлектронике находят применение так называемые составные транзисторы (СТ), которые содержат несколько элементарных транзисторов, в том числе с разными принципами работы [1-25]. Такое схемотехническое решение рекомендуется использовать в том случае, когда элементарные транзисторы не позволяют самостоятельно обеспечить то или иное требуемое качество, например, большое усиление по току (схема Дарлингтона [21,22,23], схема Линна [22,23], схема Шиклая [23]), более широкий частотный диапазон (каскодные СТ, СТ с компенсацией емкости коллектор-база), повышенное выходное сопротивление (каскодные СТ), улучшенный коэффициент ослабления входных синфазных сигналов (СТ со «следящим» питанием), повышенные рабочие напряжения (последовательное включение элементарных транзисторов), повышенный уровень максимального тока стока (параллельное включение нескольких элементарных транзисторов) и т.п. [7-9]. Данные схемотехнические приемы [1-9,11,12] являются основой современной микросхемотехники [23,24].

Для решения задач космического приборостроения (низкие температуры, проникающая радиация) перспективно использование полевых транзисторов с управляющим pn-переходом (JFet) [25,26], которые также обеспечивают экстремально низкий уровень шумов. Однако, в активном режиме, JFet имеют полярность напряжения между затвором и истоком, которая противоположна по знаку полярности напряжения между стоком и истоком. Указанные выше особенности JFet транзисторов не позволяют применять в аналоговой микроэлектронике известные схемотехнические решения СТ, которые эффективны для КМОП и биполярных транзисторов.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является каскодный составной транзистор (фиг. 1), представленный в патенте US № 4.121.169 fig.4-fig.5, 1978 г. Он содержит эквивалентный затвор 1 устройства, эквивалентный исток 2 устройства, согласованный с первой 3 шиной источника питания, эквивалентный сток 4 устройства, согласованный со второй 5 шиной источника питания, первый 6 входной полевой транзистор, затвор которого подключен к эквивалентному затвору 1 устройства, второй 7 полевой транзистор.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что области его практического использования ограничиваются усилительными каскадами, работающими в режиме класса А. В то же время для многих задач преобразования сигналов необходимы CJFET составные транзисторы, которые по своим свойствам эквивалентны КМОП транзисторам, т.е. имеют (в зависимости от напряжения на эквивалентном затворе) закрытое (выключенное состояние) и далее переходят в активный режим при увеличении напряжения на эквивалентном затворе больше некоторого порогового уровня U_п.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании радиационно-стойкого и низкотемпературного составного транзистора на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом, эквивалентного по своим стоко-затворным характеристикам КМОП транзистору и обеспечивающего экстремально высокое выходное сопротивление R_вых по цепи эквивалентного стока устройства.

Поставленная задача решается тем, что в составном транзисторе фиг. 1, содержащем эквивалентный затвор 1 устройства, эквивалентный исток 2 устройства, согласованный с первой 3 шиной источника питания, эквивалентный сток 4 устройства, согласованный со второй 5 шиной источника питания, первый 6 входной полевой транзистор, затвор которого подключен к эквивалентному затвору 1 устройства, второй 7 полевой транзистор, предусмотрены новые элементы и связи – сток первого 6 входного полевого транзистора соединен с эквивалентным истоком 2 устройства, исток первого 6 входного полевого транзистора соединен с истоком второго 7 полевого транзистора, затвор которого связан с эквивалентным истоком 2 устройства, причем в схему введен дополнительный полевой транзистор 8, исток которого соединен со стоком второго 7 полевого транзистора, затвор подключен к затвору первого 6 входного полевого транзистора, а его сток соединен с эквивалентным стоком 4 устройства.

На чертеже фиг. 1 представлена схема составного транзистора-прототипа по патенту US 4.121.169 fig. 4-fig. 5, 1978 г., а на чертежах фиг. 2а и фиг. 2б показаны схемы заявляемого устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 показана схема заявляемого составного транзистора в соответствии с п. 2 формулы изобретения, где затвор второго 7 полевого транзистора связан с эквивалентным истоком 2 устройства через цепь смещения потенциалов 10.

На чертеже фиг. 4 представлен статический режим составного транзистора фиг. 3 при t=27°C и напряжении на цепи смещения потенциалов V4=0 в среде LTSpice на моделях CJFet интегральных транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).

На чертеже фиг. 5 приведены стоко-затворные характеристики составного транзистора фиг. 4 в среде LTSpice при V4=0.

На чертеже фиг. 6 приведен статический режим составного транзистора фиг. 3 при t=27°C и напряжении на цепи смещения потенциалов V4=2В в среде LTSpice на моделях CJFet интегральных транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).

На чертеже фиг. 7 представлены стоко-затворные характеристики составного транзистора фиг. 6 в среде LTSpice при V4=2В.

На чертеже фиг. 8 показан статический режим составного транзистора фиг. 3 при t=27°C и напряжении на цепи смещения потенциалов V4=3В в среде LTSpice на моделях CJFet интегральных транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск)

На чертеже фиг. 9 приведены стоко-затворные характеристики составного транзистора фиг. 8 в среде LTSpice при V4=3В.

На чертеже фиг. 10 представлен статический режим составного транзистора фиг. 3 при t=27°C и напряжении на цепи смещения потенциалов V4=4В в среде LTSpice на моделях CJFet интегральных транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).

На чертеже фиг. 11 показан стоко-затворные характеристики составного транзистора фиг. 10 в среде LTSpice при V4=3В.

Составной транзистор на основе комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом фиг. 2 содержит эквивалентный затвор 1 устройства, эквивалентный исток 2 устройства, согласованный с первой 3 шиной источника питания, эквивалентный сток 4 устройства, согласованный со второй 5 шиной источника питания, первый 6 входной полевой транзистор, затвор которого подключен к эквивалентному затвору 1 устройства, второй 7 полевой транзистор. Сток первого 6 входного полевого транзистора соединен с эквивалентным истоком 2 устройства, исток первого 6 входного полевого транзистора соединен с истоком второго 7 полевого транзистора, затвор которого связан с эквивалентным истоком 2 устройства, причем в схему введен дополнительный полевой транзистор 8, исток которого соединен со стоком второго 7 полевого транзистора, затвор подключен к затвору первого 6 входного полевого транзистора, а его сток соединен с эквивалентным стоком 4 устройства.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, затвор второго 7 полевого транзистора связан с эквивалентным истоком 2 устройства через цепь смещения потенциалов 10.

Рассмотрим работу предлагаемого составного транзистора фиг. 2а.

Компьютерное моделирование предлагаемого составного транзистора для разных напряжениях на цепи смещения потенциалов 10 (фиг. 2), представленное на чертежах фиг. 5, фиг. 7, фиг. 9, фиг. 11, показывает, что в зависимости от численных значений E₀=V4 статические токи активных элементов схем транзисторов могут изменяться в широких пределах. Это является необходимым условием практического использования заявляемого СТ в аналоговых и аналого-цифровых схемах. Так, если V4 выбрать близким к нулю (фиг. 4), то стоко-затворная характеристика СТ (фиг. 5) будет иметь зону нечувствительности Uп≈2В. Аналогично, при V4=2В пороговое напряжение U_п близко к нулю. Если V4 выбрать на уровне 3В при нулевом напряжении на эквивалентном затворе, то все транзисторы СТ переходят в активный режим (фиг.9, фиг. 11). При этом выходное дифференциальное сопротивление предлагаемого СТ по цепи эквивалентного стока имеет экстремально высокое значение

где g_m.i – крутизна стоко-затворной характеристики первого 6 входного и второго 7 полевых транзисторов;

μ=10^-3÷10^-4 – коэффициент внутренней обратной связи второго 7 и дополнительного 8 полевых транзисторов, учитывающий влияние изменений напряжений на стоках этих транзисторов на их стоко-затворные характеристики при постоянном токе стока Ic=const:

Таким образом, предлагаемый составной транзистор имеет ряд преимуществ в сравнении с СТ-прототипом и может найти широкое применение в качестве элементной базы современных устройств автоматики и вычислительной техники, работающих в условиях низких температур и проникающей радиации. Последнее свойство СТ обеспечивается за счет применения JFET транзисторов [26].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 4.121.169 fig.4-fig.5, 1978 г.

2. Патент US 6.150.852, 2005 г.

3. Заявка на патент US 2004/0227573, fig.1, 2004 г.

4. Заявка на патент US 2004/0124892, 2004 г.

5. Заявка на патент US 2005/0179500, 2005 г.

6. Заявка на патент US 2005/0275453, 2005 г.

7. Патент US 4.806.877, 1989 г.

8. Патент US 4.496.908, 1985 г.

9. Патент US 6.774.699, fig69, 2004 г.

10. Патент US 4.079.336, fig.3, 1978 г.

11. Заявка на патент US 2008/0122541, fig.2, 2008 г.

12. Патент US 6.573.784, fig2-fig3b, 2003 г.

13. Патент US 5.065.043, 1991 г.

14. Патент US 5.422.563, 1995 г.

15. Патент EP 0 854 570, 2001 г.

16. Патент US 4.291.316, 1980 г.

17. Патент US 4.422.563, 1995 г.

18. Патент US 5.008.565, 1991 г.

19. Патент RU 2519563, 2014 г.

20. Патент RU 2536672, 2014 г.

21. Заявка на патент US 2004/008085, fig. 3, 2004 г.

22. Патент FR 2227574, fig. 4b, fig. 5a, 1974 г.

23. Схемотехника биполярно-полевых аналоговых микросхем. Часть 6. Составные схемы включения биполярных и полевых транзисторов / О.В. Дворников // Chip News #6(99) Аналоговая схемотехника, 2005г., С. 42-49. Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8, Fig. 12, Fig. 13, Fig. 14.

24. Основы микросхемотехники: учеб. пособие для студ. вузов / А.Г. Алексеенко. 3-е изд. М.: ЛБЗ; М.: Физматлит; М. : ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002. 448с. Fig. 2.26, Fig. 2.27

25. 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.

26. 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, Kazakhstan, 2017, pp. 1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998507.

1. Составной транзистор на основе комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом, содержащий эквивалентный затвор (1) устройства, эквивалентный исток (2) устройства, согласованный с первой (3) шиной источника питания, эквивалентный сток (4) устройства, согласованный со второй (5) шиной источника питания, первый (6) входной полевой транзистор, затвор которого подключен к эквивалентному затвору (1) устройства, второй (7) полевой транзистор, отличающийся тем, что сток первого (6) входного полевого транзистора соединен с эквивалентным истоком (2) устройства, исток первого (6) входного полевого транзистора соединен с истоком второго (7) полевого транзистора, затвор которого связан с эквивалентным истоком (2) устройства, причем в схему введен дополнительный полевой транзистор (8), исток которого соединен со стоком второго (7) полевого транзистора, затвор подключен к затвору первого (6) входного полевого транзистора, а его сток соединен с эквивалентным стоком (4) устройства.

2. Составной транзистор на основе комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом по п. 1, отличающийся тем, что затвор второго (7) полевого транзистора связан с эквивалентным истоком (2) устройства через цепь смещения потенциалов (10).