Многоканальный преобразователь дифференциального напряжения в парафазные выходные токи на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в качестве устройства преобразования аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, активных RC-фильтрах, операционных усилителях (ОУ) и т.п., в том числе работающих при низких температурах и воздействии радиации. Технический результат: расширение диапазона активной работы, который характеризуется напряжением ограничения проходной характеристики и оказывает существенное влияние на максимальную скорость нарастания выходного напряжения, например, ОУ. Многоканальный преобразователь дифференциального напряжения в парафазные выходные токи на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом содержит первый (1) и второй (2) входы устройства, первый (3) входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым (1) входом устройства, сток соединен с первым (4) токовым выходом устройства, согласованным с первой (5) шиной источника питания, второй (6) входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым (2) входом устройства, а сток соединен со вторым (7) токовым выходом устройства, согласованным с первой (5) шиной источника питания, причем истоки первого (3) и второго (6) входных полевых транзисторов связаны друг с другом, третий (8) входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым (1) входом устройства, сток соединен с третьим (9) токовым выходом устройства, согласованным со второй (10) шиной источника питания, четвертый (11) входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым (2) входом устройства, а сток соединен с четвертым (12) токовым выходом устройства, согласованным со второй (10) шиной источника питания, причем истоки третьего (8) и четвертого (11) входных полевых транзисторов связаны друг с другом, первый (13) вспомогательный полевой транзистор, сток которого подключен к объединенным истокам третьего (8) и четвертого (11) входных полевых транзисторов, а исток связан с объединенными истоками первого (3) и второго (6) входных полевых транзисторов, через первый (14) вспомогательный резистор, второй (15) вспомогательный полевой транзистор и второй (16) вспомогательный резистор. Затвор первого (13) вспомогательного полевого транзистора соединен со вторым (2) входом устройства, затвор второго (15) вспомогательного полевого транзистора соединен с первым (1) входом устройства, исток второго (15) вспомогательного транзистора соединен с объединенными истоками первого (3) и второго (6) входных полевых транзисторов через второй (16) вспомогательный резистор, а его сток связан с объединенными истоками третьего (8) и четвертого (11) входных полевых транзисторов. 16 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства преобразования аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, активных RC-фильтрах, операционных усилителях (ОУ) и т.п., в том числе работающих при низких температурах и воздействии радиации.

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические многоканальные преобразователи напряжения в парафазные выходные токи (МПН) [1-5].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является МПН по патенту РФ 271096 C1, фиг. 3. Он содержит (фиг.1) первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым 1 входом устройства, сток соединен с первым 4 токовым выходом устройства, согласованным с первой 5 шиной источника питания, второй 6 входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым 2 входом устройства, а сток соединен со вторым 7 токовым выходом устройства, согласованным с первой 5 шиной источника питания, причем истоки первого 3 и второго 6 входных полевых транзисторов связаны друг с другом, третий 8 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым 1 входом устройства, сток соединен с третьим 9 токовым выходом устройства, согласованным со второй 10 шиной источника питания, четвертый 11 входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым 2 входом устройства, а сток соединен с четвертым 12 токовым выходом устройства, согласованным со второй 10 шиной источника питания, причем истоки третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов связаны друг с другом, первый 13 вспомогательный полевой транзистор, сток которого подключен к объединенным истокам третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов, а исток связан с объединенными истоками первого 3 и второго 6 входных полевых транзисторов, через первый 14 вспомогательный резистор, второй 15 вспомогательный полевой транзистор и второй 16 вспомогательный резистор.

Существенный недостаток известного МПН, архитектура которого представлена на чертеже фиг.1, состоит в том, что он имеет малое значения напряжения ограничения проходной характеристики U_гр. Это значительно сужает области его практического применения, не позволяет обеспечить повышенное быстродействие в режиме большого сигнала, например операционных усилителей [5], для которых максимальная скорость нарастания выходного напряжения (SR) в режиме большого сигнала определяется формулой:

где f₁ - частота единичного усиления скорректированного ОУ,

U_гр - напряжение ограничения проходной характеристики входного каскада ОУ с классической архитектурой [5].

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона активной работы МПН - увеличении его напряжения ограничения проходной характеристики (U_гр) в условиях криогенных температур и воздействии проникающей радиации.

Поставленная задача решается тем, что в многоканальном преобразователе напряжения фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым 1 входом устройства, сток соединен с первым 4 токовым выходом устройства, согласованным с первой 5 шиной источника питания, второй 6 входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым 2 входом устройства, а сток соединен со вторым 7 токовым выходом устройства, согласованным с первой 5 шиной источника питания, причем истоки первого 3 и второго 6 входных полевых транзисторов связаны друг с другом, третий 8 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым 1 входом устройства, сток соединен с третьим 9 токовым выходом устройства, согласованным со второй 10 шиной источника питания, четвертый 11 входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым 2 входом устройства, а сток соединен с четвертым 12 токовым выходом устройства, согласованным со второй 10 шиной источника питания, причем истоки третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов связаны друг с другом, первый 13 вспомогательный полевой транзистор, сток которого подключен к объединенным истокам третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов, а исток связан с объединенными истоками первого 3 и второго 6 входных полевых транзисторов, через первый 14 вспомогательный резистор, второй 15 вспомогательный полевой транзистор и второй 16 вспомогательный резистор, предусмотрены новые элементы и связи - затвор первого 13 вспомогательного полевого транзистора соединен со вторым 2 входом устройства, затвор второго 15 вспомогательного полевого транзистора соединен с первым 1 входом устройства, исток второго 15 вспомогательного транзистора соединен с объединенными истоками первого 3 и второго 6 входных полевых транзисторов, через второй 16 вспомогательный резистор, а его сток связан с объединенными истоками третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов.

Схема известного преобразователя «напряжение-ток» - прототипа показана на чертеже фиг. 1.

На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлен статический режим многоканального преобразователя напряжения фиг. 2 в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов (ОАО «Интеграл» г. Минск, Беларусь) при t=27 °С.

На чертеже фиг. 4 представлен статический режим МПН фиг. 2 в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов (ОАО «Интеграл» г. Минск, Беларусь) при t=-197 °С.

На чертеже фиг. 5 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 3 на выходах 1 и 2 (токов в резисторах нагрузки R3, R4) от входного напряжения при t= 27 °С.

На чертеже фиг. 6 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 3 на выходах 3 и 4 (токов в резисторах нагрузки R6, R5) от входного напряжения при t=27 °С.

На чертеже фиг. 7 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 4 на выходах 1 и 2 (токов в резисторах нагрузки R3, R4) от входного напряжения при t=-197 °С.

На чертеже фиг. 8 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 3 на выходах 3 и 4 (токов в резисторах нагрузки R6, R5) от входного напряжения при t=-197°С.

На чертеже фиг. 9 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 3 на выходах 1 и 2 (токов в резисторах нагрузки R3, R4) от входного напряжения при t=27 °C и поглощенной дозе гамма-излучения D_g = 1 Мрад.

На чертеже фиг. 10 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 3 на выходах 3 и 4 (токов в резисторах нагрузки R6, R5) от входного напряжения при t= 27°C и поглощенной дозе гамма-излучения D_g = 1 Мрад.

На чертеже фиг. 11 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 4 на выходах 1 и 2 (токов в резисторах нагрузки R3, R4) от входного напряжения при t=-197 °C и поглощенной дозе гамма-излучения D_g = 1 Мрад.

На чертеже фиг. 12 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 4 на выходах 3 и 4 (токов в резисторах нагрузки R6, R5) от входного напряжения при t=-197°C и поглощенной дозе гамма-излучения D_g = 1 Мрад.

На чертеже фиг. 13 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 3 на выходах 1 и 2 (токов в резисторах нагрузки R3, R4) от входного напряжения при t=27 °C и воздействии потока нейтронов с величиной флюенса F_n = 10¹⁰ н/см².

На чертеже фиг. 14 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 3 на выходах 3 и 4 (токов в резисторах нагрузки R6, R5) от входного напряжения при t=27 °C и воздействии потока нейтронов с величиной флюенса F_n = 10¹⁰ н/см².

На чертеже фиг. 15 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 4 на выходах 1 и 2 (токов в резисторах нагрузки R3, R4) от входного напряжения при t= -197 °C и воздействии нейтронов с величиной флюенса F_n = 10¹⁰ н/см².

На чертеже фиг. 16 представлены зависимости выходных токов МПН фиг. 4 на выходах 3 и 4 (токов в резисторах нагрузки R6, R5) от входного напряжения при t=-197 °C и воздействии нейтронов с величиной флюенса F_n = 10¹⁰ н/см².

Многоканальный преобразователь дифференциального напряжения в парафазные выходные токи на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым 1 входом устройства, сток соединен с первым 4 токовым выходом устройства, согласованным с первой 5 шиной источника питания, второй 6 входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым 2 входом устройства, а сток соединен со вторым 7 токовым выходом устройства, согласованным с первой 5 шиной источника питания, причем истоки первого 3 и второго 6 входных полевых транзисторов связаны друг с другом, третий 8 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым 1 входом устройства, сток соединен с третьим 9 токовым выходом устройства, согласованным со второй 10 шиной источника питания, четвертый 11 входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым 2 входом устройства, а сток соединен с четвертым 12 токовым выходом устройства, согласованным со второй 10 шиной источника питания, причем истоки третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов связаны друг с другом, первый 13 вспомогательный полевой транзистор, сток которого подключен к объединенным истокам третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов, а исток связан с объединенными истоками первого 3 и второго 6 входных полевых транзисторов, через первый 14 вспомогательный резистор, второй 15 вспомогательный полевой транзистор и второй 16 вспомогательный резистор, затвор первого 13 вспомогательного полевого транзистора соединен со вторым 2 входом устройства, затвор второго 15 вспомогательного полевого транзистора соединен с первым 1 входом устройства, исток второго 15 вспомогательного транзистора соединен с объединенными истоками первого 3 и второго 6 входных полевых транзисторов, через второй 16 вспомогательный резистор, а его сток связан с объединенными истоками третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов.

Кроме этого, на чертеже фиг. 2 двухполюсники 17, 18, 19 и 20 моделируют свойства нагрузки МПН. В практических схемах в качестве данных элементов нагрузки могут использоваться входы токовых зеркал, которые вместе с МПН фиг. 2 образуют то или иное аналоговое устройство, например, операционный усилитель.

Рассмотрим работу преобразователя “напряжение-ток» фиг. 2.

В статическом режиме рабочие токи транзисторов схемы и напряжения между их выводами (при нулевом входном дифференциальном напряжении u_вх=u_c1-u_c2) определяются следующими уравнениями

где R₁₄, R₁₆ - сопротивления первого 14 и второго 16 вспомогательных резисторов;

I_вых.i - выходной ток i-го токового выхода МПН (i=1,2,3,4);

I_R14, I_R16 - токи первого 14 и второго 16 вспомогательных резисторов;

U_зи.i - напряжение затвор-исток i-го полевого транзистора;

U_зс.13=U_зс.15 - напряжение затвор-сток первого 13 и второго 15 вспомогательных полевых транзисторов.

Таким образом, за счет выбора сопротивлений первого 14 и второго 16 вспомогательных резисторов в схеме фиг. 2 устанавливаются заданные значения статических токов полевых транзисторов. Так, например при R₁₄= R₁₆=10 кОм выходные токи МПН, протекающие в элементах нагрузки R_н1÷R_н4, принимают значения порядка 180 мкА при t=27°C.

Следует заметить, что в заявляемой схеме МПН (также как в МПН-прототипе) при изменении входного синфазного сигнала u_c=u_c1=u_c2 токи всех элементов схемы практически не изменяются. Это положительно сказывается на величине коэффициентов ослабления входного синфазного сигнала МПН фиг. 2.

Если напряжение на входе МПН фиг. 2 получает небольшое положительное приращение относительно напряжения на входе 2 (u_вх=u_c1-u_c2), то это вызывает увеличение токов стока первого 3 и четвертого 11 входных полевых транзисторов. При этом токи стока второго 6 и третьего 8 входных полевых транзисторов уменьшаются, а на проходной характеристике МПН I_вых.i=f(u_вх) формируются начальные участки (фиг. 5 -фиг. 6), крутизна которых зависит от крутизны стоко-затворных характеристик применяемых первого 3 и второго 6, а также третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов.

Дальнейшее увеличение u_вх приводит к полному запиранию второго 6 и третьего 8 входных полевых транзисторов, которые можно исключить из дальнейшего рассмотрения работы МПН.

В режиме большого сигнала выходные токи МПН фиг. 2, в отличие от МПН-прототипа фиг.1, не ограничиваются и получают дополнительное приращение относительно статического уровня

где S₃, S₁₃ - крутизна первого 3 входного и первого 13 вспомогательного полевых транзисторов соответственно.

Как следствие, на проходных характеристиках МПН (фиг. 5 - фиг. 6) формируется второй участок, наклон которого определяется сопротивлением резистора R₁₄ (6).

Таким образом, схема МПН фиг. 2, в отличие от МПН-прототипа фиг. 1, сохраняя его свойства по ослаблению синфазных сигналов, работает в режиме класса АВ, когда максимальные выходные токи I_вых.max значительно превышают выходные токи в статическим режиме, а напряжение ограничения проходной характеристики U_гр близко к напряжению питания. Увеличение U_гр и I_вых.max, несмотря на нелинейность проходной характеристики [5], позволяет повысить SR операционных усилителей на основе заявляемого МПН.

Результаты компьютерного моделирования показывают, что криогенные температуры (фиг. 7, фиг. 8), накопленная доза радиации (фиг. 9 - фиг. 12) и поток нейтронов (фиг. 13 - фиг. 16) оказывают некоторое влияние на проходные характеристики МПН. Однако, за счет использования JFET транзисторов эти изменения вполне допустимы для многих применений.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение многоканального преобразователя «напряжение-ток» характеризуется расширенным диапазоном активной работы, что оказывает положительное влияние на динамические параметры ряда аналоговых устройств в режиме большого сигнала.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент RU 2710296C1 фиг. 3, 2019 г.

2. Патент RU 2688225C1 фиг. 2, 2018 г.

3. Патент RU 2684473C1 фиг. 2, 2018 г.

4. Патент RU 2679970C1 фиг. 3, 2018 г.

5. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов : монография / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л.: «Энергия», 1979. - 148 с.

Многоканальный преобразователь дифференциального напряжения в парафазные выходные токи на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом, содержащий первый (1) и второй (2) входы устройства, первый (3) входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым (1) входом устройства, сток соединен с первым (4) токовым выходом устройства, согласованным с первой (5) шиной источника питания, второй (6) входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым (2) входом устройства, а сток соединен со вторым (7) токовым выходом устройства, согласованным с первой (5) шиной источника питания, причем истоки первого (3) и второго (6) входных полевых транзисторов связаны друг с другом, третий (8) входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым (1) входом устройства, сток соединен с третьим (9) токовым выходом устройства, согласованным со второй (10) шиной источника питания, четвертый (11) входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым (2) входом устройства, а сток соединен с четвертым (12) токовым выходом устройства, согласованным со второй (10) шиной источника питания, причем истоки третьего (8) и четвертого (11) входных полевых транзисторов связаны друг с другом, первый (13) вспомогательный полевой транзистор, сток которого подключен к объединенным истокам третьего (8) и четвертого (11) входных полевых транзисторов, а исток связан с объединенными истоками первого (3) и второго (6) входных полевых транзисторов через первый (14) вспомогательный резистор, второй (15) вспомогательный полевой транзистор и второй (16) вспомогательный резистор, отличающийся тем, что затвор первого (13) вспомогательного полевого транзистора соединен со вторым (2) входом устройства, затвор второго (15) вспомогательного полевого транзистора соединен с первым (1) входом устройства, исток второго (15) вспомогательного полевого транзистора соединен с объединенными истоками первого (3) и второго (6) входных полевых транзисторов через второй (16) вспомогательный резистор, а его сток связан с объединенными истоками третьего (8) и четвертого (11) входных полевых транзисторов.