RU2572380C1 - Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей для биполярно-полевых радиационно-стойких технологических процессов - Google Patents
Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей для биполярно-полевых радиационно-стойких технологических процессов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2572380C1 RU2572380C1 RU2014146314/08A RU2014146314A RU2572380C1 RU 2572380 C1 RU2572380 C1 RU 2572380C1 RU 2014146314/08 A RU2014146314/08 A RU 2014146314/08A RU 2014146314 A RU2014146314 A RU 2014146314A RU 2572380 C1 RU2572380 C1 RU 2572380C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- current
- transistors
- transistor
- input
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к применению симметричных активных нагрузок, обеспечивающих преобразование выходных токов симметричных дифференциальных каскадов и их согласование с промежуточными выходными каскадами. Технический результат заключается в создании радиационно-стойкой и низкотемпературной симметричной активной нагрузки с использованием в структуре полевых транзисторов биполярно-полевого технологического процесса, что позволяет применять их при более низких напряжениях питания или увеличить диапазон изменения выходных напряжений при включении в структуру аналоговых микросхем, например, операционных усилителей. В составе симметричной активной нагрузки в качестве первого (5) и второго (6) выходных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, причем сток первого (5) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером первого (13) дополнительного транзистора и через первый (14) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, сток второго (6) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером второго (15) дополнительного транзистора и через второй (16) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, причем второй вывод токостабилизирующего двухполюсника (7) подключен ко второй (17) шине источника питания, согласованной с первым (11) и вторым (12) токовыми выходами устройства, коллектор первого (13) дополнительного транзистора соединен с первым (11) токовым выходом устройства, коллектор второго (15) дополнительного транзистора соединен со вторым (12) токовым выходом устройства, а базы первого (13) и второго (14) дополнительных транзисторов связаны с базами первого (2) и второго (4) входных транзисторов. 6 ил.
Description
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение симметричные активные нагрузки [1-10], обеспечивающие преобразование выходных токов симметричных дифференциальных каскадов и их согласование с промежуточными выходными каскадами, например, в операционных усилителях (ОУ). На их основе реализуется широкий класс устройств преобразования и усиления сигналов [1-10].
Для работы в условиях космического пространства в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие микроэлектронные изделия, допускающие одновременное воздействие на них низких температур, потока нейтронов и накопленной дозы радиации. Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевых технологических процессов [11].
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является симметричная активная нагрузка (САН) по патенту US №7411451, fig. 2. Она содержит первый (1) токовый вход, связанный с коллектором первого (2) входного транзистора, второй (3) противофазный токовый вход, связанный с коллектором второго (4) входного транзистора, первый (5) выходной транзистор, базовый управляющий вывод которого соединен с первым (1) токовым входом, второй (6) выходной транзистор, базовый управляющий вывод которого соединен со вторым (3) токовым входом, токостабилизирующий двухполюсник (7), первый вывод которого соединен с базами первого (2) и второго (4) входных транзисторов, а также инжектирующими выводами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов, первый (8) вспомогательный резистор, включенный между эмиттером первого (2) входного транзистора и первой (9) шиной источника питания, второй (10) вспомогательный резистор, включенный между эмиттером второго (4) входного транзистора и первой (9) шиной источника питания, первый (11) и второй (12) токовые выходы устройства.
Основной существенный недостаток известной схемы САН состоит в том, что наиболее ответственные элементы схемы (транзисторы 5, 6), определяющие коэффициенты ее усиления по току, а также радиационную и низкотемпературную зависимость основных характеристик САН, реализуются здесь на n-p-n транзисторах 5 и 6. Однако при отрицательных температурах коэффициент усиления по току базы β n-p-n транзисторов 5 и 6 уменьшается до 2÷5 единиц, в то время как полевые транзисторы АБМК [11] устойчиво работают до -190°C. Это не позволяет применять полевые транзисторы с управляющим p-n переходом в САН при построении радиационно-стойких и низкотемпературных микросхем на основе хорошо зарекомендовавшего себя биполярно-полевого технологического процесса [11], который обеспечивает формирование p-канальных полевых транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 1013н/см2.
Кроме этого, известная схема САН может работать только при относительно больших значениях статических напряжений на первом 11 и втором 12 выходах устройства. Это отрицательно сказывается на диапазонах изменения выходных напряжений известной САН, либо требует повышенных напряжений источников питания.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании радиационно-стойкой и низкотемпературной симметричной активной нагрузки с использованием в структуре ее наиболее ответственных узлов (транзисторы 5, 6) полевых транзисторов с управляющим p-n переходом биполярно-полевого технологического процесса [11].
Дополнительная задача - уменьшение на 0.7-0.8 В минимального значения статических напряжений на первом 11 и втором 12 выходах устройства. Это позволяет применять заявляемую САН при более низких напряжениях питания или увеличить диапазон изменения выходных напряжений при включении САН в структуру аналоговых микросхем, например операционных усилителей.
Поставленные задачи достигаются тем, что в симметричной активной нагрузке (фиг. 1), содержащей первый (1) токовый вход, связанный с коллектором первого (2) входного транзистора, второй (3) противофазный токовый вход, связанный с коллектором второго (4) входного транзистора, первый (5) выходной транзистор, базовый управляющий вывод которого соединен с первым (1) токовым входом, второй (6) выходной транзистор, базовый управляющий вывод которого соединен со вторым (3) токовым входом, токостабилизирующий двухполюсник (7), первый вывод которого соединен с базами первого (2) и второго (4) входных транзисторов, а также инжектирующими выводами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов, первый (8) вспомогательный резистор, включенный между эмиттером первого (2) входного транзистора и первой (9) шиной источника питания, второй (10) вспомогательный резистор, включенный между эмиттером второго (4) входного транзистора и первой (9) шиной источника питания, первый (11) и второй (12) токовые выходы устройства, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первого (5) и второго (6) выходных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, причем сток первого (5) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером первого (13) дополнительного транзистора и через первый (14) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, сток второго (6) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером второго (15) дополнительного транзистора и через второй (16) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, причем второй вывод токостабилизирующего двухполюсника (7) подключен ко второй (17) шине источника питания, согласованной с первым (11) и вторым (12) токовыми выходами устройства, коллектор первого (13) дополнительного транзистора соединен с первым (11) токовым выходом устройства, коллектор второго (15) дополнительного транзистора соединен со вторым (12) токовым выходом устройства, а базы первого (13) и второго (14) дополнительных транзисторов связаны с базами первого (2) и второго (4) входных транзисторов.
На фиг. 1 показана схема симметричной активной нагрузки - прототипа, на фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг. 3 показана схема заявляемого устройства в структуре операционного усилителя с одним высокоимпедансным узлом.
На фиг. 4 показана схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).
На фиг. 5 показана зависимость коллекторных токов транзисторов Q5 и Q6 схемы САН фиг. 4 (выходных токов устройства) от изменения первого входного тока I1=Ivar1.
На фиг. 6 показана зависимость коллекторных токов транзисторов Q5 и Q6 схемы САН фиг. 4 от изменения второго входного тока I2=Iyar2.
Симметричная активная нагрузка (САН) дифференциальных усилителей фиг. 2 содержит первый (1) токовый вход, связанный с коллектором первого (2) входного транзистора, второй (3) противофазный токовый вход, связанный с коллектором второго (4) входного транзистора, первый (5) выходной транзистор, базовый управляющий вывод которого соединен с первым (1) токовым входом, второй (6) выходной транзистор, базовый управляющий вывод которого соединен со вторым (3) токовым входом, токостабилизирующий двухполюсник (7), первый вывод которого соединен с базами первого (2) и второго (4) входных транзисторов, а также инжектирующими выводами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов, первый (8) вспомогательный резистор, включенный между эмиттером первого (2) входного транзистора и первой (9) шиной источника питания, второй (10) вспомогательный резистор, включенный между эмиттером второго (4) входного транзистора и первой (9) шиной источника питания, первый (11) и второй (12) токовые выходы устройства.
В качестве первого (5) и второго (6) выходных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, причем сток первого (5) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером первого (13) дополнительного транзистора и через первый (14) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, сток второго (6) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером второго (15) дополнительного транзистора и через второй (16) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, причем второй вывод токостабилизирующего двухполюсника (7) подключен ко второй (17) шине источника питания, согласованной с первым (11) и вторым (12) токовыми выходами устройства, коллектор первого (13) дополнительного транзистора соединен с первым (11) токовым выходом устройства, коллектор второго (15) дополнительного транзистора соединен со вторым (12) токовым выходом устройства, а базы первого (13) и второго (14) дополнительных транзисторов связаны с базами первого (2) и второго (4) входных транзисторов.
В схеме фиг. 3, представляющей собой операционный усилитель с заявляемой САН фиг. 2, в которой схема входного каскада ОУ содержит источники опорного тока 18, 19, входные полевые транзисторы 20, 21, масштабирующий резистор 22, токовое зеркало 23, а также неинвертирующий буферный усилитель 24, связанный с выходом устройства 25.
Рассмотрим работу заявляемой САН фиг. 2.
Статический режим первого 2 и второго 4 входных транзисторов САН определяется входными статическими токами Iвх.1, Iвх.2, которые подаются, например, от какого-либо дифференциального каскада (на схеме - не показан).
В схеме САН-прототипа (фиг. 1) минимальные выходные статические напряжения на токовых выходах 11 и 12 (относительно первой 9 шины источника питания) не могут быть меньше, чем
где UR8, UR10 - статическое напряжение на резисторах 8 и 10;
Uэб.2≈Uэб.5≈Uэб≈0,8 В - напряжение эмиттер-база транзисторов 2 и 5.
В заявленной схеме фиг. 2
где UR14, UR16 - статическое напряжение на резисторах 14 и 16.
Сравнение формул (1), (2) и (3), (4) показывает, что минимальное рабочее напряжений на токовых выходах 11 и 12 устройства фиг. 2 на 0,8 В меньше, чем в схеме САН-прототипа.
Кроме этого, коэффициент преобразования входных токов САН фиг. 2 в выходные токи узлов 11 и 12 в заявленной схеме значительно выше, чем в САН-прототипе (фиг. 1). Это объясняется более высоким уровнем эквивалентного сопротивления R12 между первым (1) и вторым (3) входами устройства. Данный эффект обеспечивается применением полевых транзисторов 5 и 6 в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения.
Замечательная особенность схемы фиг. 2 состоит также в том, что в отличие от схемы прототипа здесь наиболее ответственные узлы реализуются на основе полевых транзисторов с управляющим p-n переходом радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса НПО «Интеграл» (г. Минск) [11]. Это позволяет согласовать выходные токи транзисторов 5 и 6 с отрицательной (9) шиной источника питания. Как следствие, данное решение обеспечивает более высокие уровни коэффициента усиления входного сигнала и его малую низкотемпературную и радиационную нестабильность.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US №7411451, fig. 2.
2. Патент US №5736899, fig. 4.
3. Патент US №4271394, fig. 3.
4. Патент US №4420726, fig. 4.
5. Патент US №4359693, fig. 1.
6. Патент US №6529070.
7. Патент US №4069460, fig. 18. Патент US №4348602, fig. 2.
9. Патент US №3614645.
10. Патент US №5963085.
11. 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.
Claims (1)
- Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей, содержащая первый (1) токовый вход, связанный с коллектором первого (2) входного транзистора, второй (3) противофазный токовый вход, связанный с коллектором второго (4) входного транзистора, первый (5) выходной транзистор, базовый управляющий вывод которого соединен с первым (1) токовым входом, второй (6) выходной транзистор, базовый управляющий вывод которого соединен со вторым (3) токовым входом, токостабилизирующий двухполюсник (7), первый вывод которого соединен с базами первого (2) и второго (4) входных транзисторов, а также инжектирующими выводами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов, первый (8) вспомогательный резистор, включенный между эмиттером первого (2) входного транзистора и первой (9) шиной источника питания, второй (10) вспомогательный резистор, включенный между эмиттером второго (4) входного транзистора и первой (9) шиной источника питания, первый (11) и второй (12) токовые выходы устройства, отличающаяся тем, что в качестве первого (5) и второго (6) выходных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, причем сток первого (5) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером первого (13) дополнительного транзистора и через первый (14) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, сток второго (6) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером второго (15) дополнительного транзистора и через второй (16) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, причем второй вывод токостабилизирующего двухполюсника (7) подключен ко второй (17) шине источника питания, согласованной с первым (11) и вторым (12) токовыми выходами устройства, коллектор первого (13) дополнительного транзистора соединен с первым (11) токовым выходом устройства, коллектор второго (15) дополнительного транзистора соединен со вторым (12) токовым выходом устройства, а базы первого (13) и второго (14) дополнительных транзисторов связаны с базами первого (2) и второго (4) входных транзисторов.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014146314/08A RU2572380C1 (ru) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей для биполярно-полевых радиационно-стойких технологических процессов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014146314/08A RU2572380C1 (ru) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей для биполярно-полевых радиационно-стойких технологических процессов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2572380C1 true RU2572380C1 (ru) | 2016-01-10 |
Family
ID=55072126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014146314/08A RU2572380C1 (ru) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей для биполярно-полевых радиационно-стойких технологических процессов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2572380C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5374859A (en) * | 1993-04-30 | 1994-12-20 | Intel Corporation | Low power dual power supply high resolution comparator |
| US7411451B2 (en) * | 2006-04-03 | 2008-08-12 | Texas Instruments Incorporated | Class AB folded cascode stage and method for low noise, low power, low-offset operational amplifier |
| RU2391768C2 (ru) * | 2008-09-02 | 2010-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
| RU2413356C1 (ru) * | 2009-10-19 | 2011-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный усилитель с повышенным входным сопротивлением |
-
2014
- 2014-11-18 RU RU2014146314/08A patent/RU2572380C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5374859A (en) * | 1993-04-30 | 1994-12-20 | Intel Corporation | Low power dual power supply high resolution comparator |
| US7411451B2 (en) * | 2006-04-03 | 2008-08-12 | Texas Instruments Incorporated | Class AB folded cascode stage and method for low noise, low power, low-offset operational amplifier |
| RU2391768C2 (ru) * | 2008-09-02 | 2010-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
| RU2413356C1 (ru) * | 2009-10-19 | 2011-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный усилитель с повышенным входным сопротивлением |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2615070C1 (ru) | Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель | |
| RU2572380C1 (ru) | Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей для биполярно-полевых радиационно-стойких технологических процессов | |
| RU2595927C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель | |
| RU2615068C1 (ru) | Биполярно-полевой дифференциальный операционный усилитель | |
| RU2333593C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном активной работы | |
| RU2331971C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном активной работы | |
| RU2416155C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель | |
| RU2583760C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель | |
| RU2439778C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2439780C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2595926C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель | |
| RU2595923C1 (ru) | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода | |
| RU2604684C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода | |
| RU2589323C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель | |
| RU2475941C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с комплементарным входным каскадом | |
| RU2571579C1 (ru) | Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого техпроцесса | |
| RU2441316C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2592429C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода | |
| RU2432666C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2613842C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2337395C1 (ru) | Управляемый источник опорного тока | |
| RU2592455C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода | |
| RU2474954C1 (ru) | Токовое зеркало | |
| RU2402150C1 (ru) | Токовое зеркало с цепью нагрузки в виде каскада на транзисторе с общим эмиттером | |
| RU2568318C1 (ru) | Мультидифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161119 |