RU2684489C1 - Buffer amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures - Google Patents

Buffer amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures Download PDF

Info

Publication number
RU2684489C1
RU2684489C1 RU2018121299A RU2018121299A RU2684489C1 RU 2684489 C1 RU2684489 C1 RU 2684489C1 RU 2018121299 A RU2018121299 A RU 2018121299A RU 2018121299 A RU2018121299 A RU 2018121299A RU 2684489 C1 RU2684489 C1 RU 2684489C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
field
output
effect transistor
input
current
Prior art date
Application number
RU2018121299A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Петр Сергеевич Будяков
Анна Витальевна Бугакова
Алексей Евгеньевич Титов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority to RU2018121299A priority Critical patent/RU2684489C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2684489C1 publication Critical patent/RU2684489C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/181Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
    • H03F3/183Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/185Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only with field-effect devices
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/181Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
    • H03F3/183Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/187Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/213Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/50Amplifiers in which input is applied to, or output is derived from, an impedance common to input and output circuits of the amplifying element, e.g. cathode follower
    • H03F3/505Amplifiers in which input is applied to, or output is derived from, an impedance common to input and output circuits of the amplifying element, e.g. cathode follower with field-effect devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: analogue microelectronics.
SUBSTANCE: invention relates to analogue microelectronics and can be used as two-stroke buffer and output power amplifiers of various analogue devices (operational amplifiers, communication line drivers, etc.), allowing operation in conditions of penetrating radiation and low temperatures. To achieve the result, a circuit design is proposed, which is characterized by using a single current-stabilizing bipolar (resistor), which determines current static mode of operation.
EFFECT: design of a radiation-resistant and low-temperature circuit-based solution of BA on complementary field-effect transistors, which ensures high stability of the static mode of transistors and low noise level, even during operation in the low-temperature range, with high linearity of the amplitude characteristic.
3 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в качестве двухтактных буферных и выходных усилителей мощности различных аналоговых устройств (операционных усилителей, драйверов линий связи и т.п.), допускающих работу в условиях воздействия проникающей радиации и низких температур.The invention relates to the field of analog microelectronics and can be used as push-pull buffer and output power amplifiers of various analog devices (operational amplifiers, communication line drivers, etc.) capable of operating under conditions of penetrating radiation and low temperatures.

Известно значительное количество схем микроэлектронных двухтактных буферных усилителей (БУ), которые реализуются на комплементарных биполярных (BJT) или полевых (КМОП, КНИ, КНС и др.) транзисторах, а также при их совместном включении [1-29]. Благодаря высокой симметрии, простоте и малому напряжению смещения нуля вышеназванные схемотехнические решения БУ наиболее популярны как в зарубежных, так и в российских аналоговых микросхемах, реализуемых на основе типовых технологических процессов [1-29].There are a significant number of circuits of microelectronic push-pull buffer amplifiers (BU), which are implemented on complementary bipolar (BJT) or field (CMOS, SOI, KNS, etc.) transistors, as well as when they are turned on jointly [1-29]. Due to the high symmetry, simplicity, and low bias voltage, the abovementioned circuitry solutions of the control unit are most popular in both foreign and Russian analog microcircuits implemented on the basis of standard technological processes [1-29].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является буферный усилитель на комплементарных полевых транзисторах, представленный в патенте US № 7.764.123, fig. 3, 2010 г. Данная схема рассмотрена и в других патентах (US № 5.351.012, 1994 г.; US № 6.215.357 fig. 3, 2001 г.; US № 5.973.534), а также в ряде публикаций, например [28. M. Djebbi, A. Assi and M. Sawan. An offset-compensated wide-bandwidth CMOS current-feedback operational amplifier // CCECE 2003 - Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Toward a Caring and Humane Technology (Cat. No.03CH37436), 2003, pp. 73-76 vol.1. DOI: 10.1109/CCECE.2003.1226347]. Схема БУ-прототипа фиг. 1 содержит потенциальный вход 1 и потенциальный выход 2 устройства, первый 3 токовый выход устройства, согласованный с первой 4 шиной источника питания, второй 5 токовый выход устройства, согласованный со второй 6 шиной источника питания, первый 7 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с потенциальным входом 1 устройства, второй 8 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с потенциальным входом 1 устройства, первый 9 выходной полевой транзистор, исток которого связан с потенциальным выходом 2 устройства, а сток соединен с первым 3 токовым выходом устройства, второй 10 выходной полевой транзистор, исток которого соединен с потенциальным выходом 2 устройства, а сток соединен со вторым 5 токовым выходом устройства. БУ-прототип является основой различных входных и выходных каскадов ОУ с потенциальной отрицательной обратной связью [29. N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov, J.M. Savchenko, S.V. Korneev. Maximum rating of Voltage Feedback and Current Feedback Operational Amplifiers in Linear and Nonlinear Modes // Proceeding of the Third International Conference on Circuits and Systems for Communications – ICCSC’06, Politehnica University, Bucharest, Romania: July 6-7, 2006, pp.149-154], а также ОУ с токовой отрицательной обратной связью [28,29]. Кроме этого, данный БУ выпускается многими фирмами в виде серийных микросхем.The closest prototype of the claimed device is a buffer amplifier on complementary field effect transistors, presented in US patent No. 7.764.123, fig. 3, 2010. This scheme is considered in other patents (US No. 5.351.012, 1994; US No. 6.215.357 fig. 3, 2001; US No. 5.973.534), as well as in a number of publications, for example [28. M. Djebbi, A. Assi and M. Sawan. An offset-compensated wide-bandwidth CMOS current-feedback operational amplifier // CCECE 2003 - Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Toward a Caring and Humane Technology (Cat. No.03CH37436), 2003, pp. 73-76 vol. 1. DOI: 10.1109 / CCECE.2003.1226347]. Scheme BU-prototype of FIG. 1 contains potential input 1 and potential output 2 of the device, the first 3 current output of the device, matched with the first 4 bus of the power source, the second 5 current output of the device, matched with the second 6 bus of the power source, the first 7 input field-effect transistor, the gate of which is connected to the potential the input 1 of the device, the second 8 input field-effect transistor, the gate of which is connected to the potential input 1 of the device, the first 9 output field-effect transistor, the source of which is connected to the potential output 2 of the device, and the drain is connected 3 with the first current output device 10 output a second field effect transistor having its source connected to a potential output device 2, and the drain is connected to a second 5 current output device. BU prototype is the basis of various input and output stages of the op-amp with potential negative feedback [29. N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov, J.M. Savchenko, S.V. Korneev. Maximum rating of Voltage Feedback and Current Feedback Operational Amplifiers in Linear and Nonlinear Modes // Proceeding of the Third International Conference on Circuits and Systems for Communications - ICCSC'06, Politehnica University, Bucharest, Romania: July 6-7, 2006, pp. 149-154], as well as an op amp with current negative feedback [28,29]. In addition, this control unit is produced by many companies in the form of serial chips.

Существенный недостаток известного буферного усилителя состоит в том, что статический режим транзисторов его схемы определяется двумя независимыми источниками опорного тока (I1, I2, фиг. 1). Это отрицательно сказывается на работе БУ в условиях низких температур, а также затрудняет управление нагрузочной способностью БУ при изменении сопротивления его нагрузки в широких пределах. В практических схемах БУ (фиг. 1) высококачественные источники опорного тока I1, I2, существенно влияющие на параметры БУ, выполняются по достаточно сложным транзисторным схемам, что отрицательно влияет на общее энергопотребление. Таким образом, схема БУ-прототипа имеет ограниченное применение.A significant drawback of the known buffer amplifier is that the static mode of the transistors of its circuit is determined by two independent sources of the reference current (I1, I2, Fig. 1). This adversely affects the operation of the control unit at low temperatures, and also makes it difficult to control the load capacity of the control unit when changing the load resistance over a wide range. In practical control circuits (Fig. 1), high-quality reference current sources I1, I2, which significantly affect the control parameters, are implemented according to rather complex transistor circuits, which negatively affects the overall power consumption. Thus, the scheme of the control unit prototype has limited use.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании радиационно-стойкого и низкотемпературного схемотехнического решения БУ на комплементарных полевых транзисторах, обеспечивающего (при высокой линейности амплитудной характеристики) повышенную стабильность статического режима транзисторов и низкий уровень шумов, в том числе при работе в диапазоне низких температур.The main objective of the proposed invention is to create a radiation-resistant and low-temperature circuitry of the control unit on complementary field-effect transistors, which provides (with high linearity of the amplitude characteristic) increased stability of the transistors static mode and low noise level, including when operating in the low temperature range.

Поставленная задача достигается тем, что в буферном усилителе фиг. 1, содержащем потенциальный вход 1 и потенциальный выход 2 устройства, первый 3 токовый выход устройства, согласованный с первой 4 шиной источника питания, второй 5 токовый выход устройства, согласованный со второй 6 шиной источника питания, первый 7 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с потенциальным входом 1 устройства, второй 8 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с потенциальным входом 1 устройства, первый 9 выходной полевой транзистор, исток которого связан с потенциальным выходом 2 устройства, а сток соединен с первым 3 токовым выходом устройства, второй 10 выходной полевой транзистор, исток которого соединен с потенциальным выходом 2 устройства, а сток соединен со вторым 5 токовым выходом устройства, предусмотрены новые элементы и связи – в качестве полевых транзисторов схемы БУ применены полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, между истоками первого 7 и второго 8 входных полевых транзисторов включен токостабилизирующий двухполюсник 11, сток первого 7 входного полевого транзистора связан с первой 4 шиной источника питания, сток второго 8 входного полевого транзистора связан со второй 6 шиной источника питания, затвор первого 9 выходного полевого транзистора подключен к истоку второго 8 входного полевого транзистора, а затвор второго 10 выходного полевого транзистора подключен к истоку первого 7 входного полевого транзистора.The problem is achieved in that in the buffer amplifier of FIG. 1, containing potential input 1 and potential output 2 of the device, the first 3 current output of the device, matched with the first 4 bus power supply, the second 5 current output of the device, matched with the second 6 bus power source, the first 7 input field-effect transistor, the gate of which is connected to potential input 1 of the device, the second 8 input field-effect transistor, the gate of which is connected to the potential input 1 of the device, the first 9 output field-effect transistor, the source of which is connected to the potential output 2 of the device, and the drain is connected nen with the first 3 current output of the device, the second 10 output field-effect transistor, the source of which is connected to the potential output 2 of the device, and the drain is connected to the second 5 current output of the device, new elements and connections are provided - field effect transistors with a control are used as field-effect transistors of the control circuit pn junction, between the sources of the first 7 and second 8 input field-effect transistors, a current-stabilizing two-terminal 11 is connected, the drain of the first 7 input field-effect transistor is connected to the first 4 bus of the power supply, the drain of the second of the 8th input field-effect transistor is connected to the second 6th bus of the power source, the gate of the first 9th output field-effect transistor is connected to the source of the second 8th input field-effect transistor, and the gate of the second 10th output field-effect transistor is connected to the source of the first 7th field-effect transistor.

В схеме фиг. 2 к потенциальному выходу 2 может подключаться нагрузка 12. Конденсаторы 13 и 14 моделируют паразитные емкости в цепи затворов первого 9 и второго 10 выходных транзисторов.In the circuit of FIG. 2, load 12 can be connected to potential output 2. Capacitors 13 and 14 model stray capacitances in the gate circuit of the first 9 and second 10 output transistors.

В соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 3 токовый выход устройства соединен с первой 4 шиной источника питания, а второй 5 токовый выход устройств соединен со второй 6 шиной источника питания.In accordance with paragraph 2 of the claims, the first 3 current output of the device is connected to the first 4 bus of the power source, and the second 5 current output of the devices is connected to the second 6 bus of the power source.

В соответствии с п. 3 формулы изобретения, параллельно токостабилизирующему двухполюснику 11 включен корректирующий конденсатор 15, который уменьшает влияние паразитных конденсаторов 13 и 14 на быстродействие БУ в режиме большого сигнала.In accordance with paragraph 3 of the claims, a correction capacitor 15 is included in parallel with the current-stabilizing two-terminal 11, which reduces the influence of stray capacitors 13 and 14 on the performance of the control unit in the large signal mode.

На чертеже фиг. 1 представлена схема БУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого буферного усилителя в соответствии с п.1, п.2, п.3 формулы изобретения.In the drawing of FIG. 1 shows a diagram of a control unit prototype, and in the drawing of FIG. 2 is a diagram of the inventive buffer amplifier in accordance with claim 1, claim 2, claim 3 of the claims.

На чертеже фиг. 3 приведен статический режим схемы БУ фиг. 2 в среде моделирования LTSpice на комплементарных полевых транзисторах CJFET_2 ОАО «Интеграл» (г. Минск) при температуре -197ᵒС и сопротивлении токостабилизирующего двухполюсника 11, равном 20 кОм (R11=R0=Rvar1=20кОм), а также с сопротивлением нагрузки 12 равном бесконечности (R12=Rн=Rvar2=∞).In the drawing of FIG. 3 shows the static mode of the control unit of FIG. 2 in the LTSpice simulation environment on complementary field-effect transistors CJFET_2 of Integral OJSC (Minsk) at a temperature of -197ᵒС and a resistance of a current-stabilizing two-terminal 11 equal to 20 kOhm (R11 = R 0 = R var1 = 20 kOhm), as well as with a load resistance of 12 equal to infinity (R12 = R n = R var2 = ∞).

На чертеже фиг. 4 представлены зависимости выходного напряжения БУ (фиг. 3) от входного V3 в диапазоне температур t=-197÷27ᵒC при сопротивлениях токостабилизирующего двухполюсника 11 R11=R0=Rvar1=5кОм и нагрузки 12 R12=Rн=Rvar2=∞. Из данных графиков следует, что амплитудная характеристика заявляемого БУ изменяется незначительно.In the drawing of FIG. Figure 4 shows the dependences of the output voltage of the control unit (Fig. 3) on the input V3 in the temperature range t = -197 ÷ 27ᵒC with resistance of the current-stabilizing two-terminal 11 R11 = R 0 = R var1 = 5 kOhm and load 12 R12 = R n = R var2 = ∞. From these graphs it follows that the amplitude characteristic of the claimed control unit varies slightly.

На чертеже фиг. 5 приведен график зависимости напряжения смещения нуля БУ (фиг. 3) от температуры в диапазоне -197÷27ᵒС при сопротивлении резисторов R11=R0=Rvar1=220кОм и R12=Rн=Rvar2=∞. Таким образом, погрешность передачи входных сигналов с частотой fн=0 в заявленном БУ не превышает 175 мВ, что достаточно для многих применений.In the drawing of FIG. Figure 5 shows a graph of the dependence of the zero bias voltage of the control unit (Fig. 3) on the temperature in the range of -197 ÷ 27ᵒС with the resistance of the resistors R11 = R 0 = R var1 = 220 kOhm and R12 = R n = R var2 = ∞. Thus, the error in the transmission of input signals with a frequency f n = 0 in the declared control unit does not exceed 175 mV, which is sufficient for many applications.

На чертеже фиг. 6 представлена схема включения заявляемого буферного усилителя (фиг. 2) в так называемом мостовом дифференциальном каскаде (МДК), который собирается из двух идентичных БУ фиг. 2. Следует заметить, что МДК является базовым функциональным узлом современной аналоговой схемотехники.In the drawing of FIG. 6 is a diagram of the inclusion of the inventive buffer amplifier (FIG. 2) in the so-called bridge differential cascade (MDC), which is assembled from two identical control units of FIG. 2. It should be noted that the MDK is the basic functional unit of modern analog circuitry.

На чертеже фиг. 7 приведен статический режим БУ фиг. 6 в среде моделирования LTSpice на комплементарных полевых транзисторах CJFET_2 при температуре 27ᵒС и сопротивлении нагрузки 12 R12=Rн=100 Ом.In the drawing of FIG. 7 shows the static mode of the control unit of FIG. 6 in the LTSpice simulation environment on complementary field-effect transistors CJFET_2 at a temperature of 27 ° C and a load resistance of 12 R12 = R n = 100 Ohms.

На чертеже фиг. 8 представлены графики зависимости выходных токов БУ фиг. 7 для первого 3 (iвых.1) и третьего 18 (iвых.3) токовых выходов устройства от входного дифференциального напряжения при разном количестве параллельно включенных полупроводниковых приборов в структуре первого 9, второго 10, третьего 23 и четвертого 24 выходных транзисторов (N=1-3).In the drawing of FIG. 8 shows graphs of the dependence of the output currents of the control unit of FIG. 7 for the first 3 (i output 1 ) and third 18 (i output 3 ) current outputs of the device from the input differential voltage for a different number of parallel-connected semiconductor devices in the structure of the first 9, second 10, third 23 and fourth 24 output transistors (N = 1-3).

На чертеже фиг. 9 представлена зависимость выходных токов БУ фиг. 7 для второго 5 (iвых.2) и четвертого 19 (iвых.4) токовых выходов от входного дифференциального напряжения при разном количестве параллельно включенных полупроводниковых приборов в структуре первого 9, второго 10, третьего 23 и четвертого 24 выходных транзисторов (N=1-3).In the drawing of FIG. 9 shows the dependence of the output currents of the control unit of FIG. 7 for the second 5 (i output 2 ) and fourth 19 (i output 4 ) current outputs from the input differential voltage for a different number of parallel-connected semiconductor devices in the structure of the first 9, second 10, third 23, and fourth 24 output transistors (N = 1-3).

Буферный усилитель на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом для работы при низких температурах, содержащий потенциальный вход 1 и потенциальный выход 2 устройства, первый 3 токовый выход устройства, согласованный с первой 4 шиной источника питания, второй 5 токовый выход устройства, согласованный со второй 6 шиной источника питания, первый 7 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с потенциальным входом 1 устройства, второй 8 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с потенциальным входом 1 устройства, первый 9 выходной полевой транзистор, исток которого связан с потенциальным выходом 2 устройства, а сток соединен с первым 3 токовым выходом устройства, второй 10 выходной полевой транзистор, исток которого соединен с потенциальным выходом 2 устройства, а сток соединен со вторым 5 токовым выходом устройства. В качестве полевых транзисторов схемы БУ применены полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, между истоками первого 7 и второго 8 входных полевых транзисторов включен токостабилизирующий двухполюсник 11, сток первого 7 входного полевого транзистора связан с первой 4 шиной источника питания, сток второго 8 входного полевого транзистора связан со второй 6 шиной источника питания, затвор первого 9 выходного полевого транзистора подключен к истоку второго 8 входного полевого транзистора, а затвор второго 10 выходного полевого транзистора подключен к истоку первого 7 входного полевого транзистора.A buffer amplifier on complementary field effect transistors with a control pn junction for operation at low temperatures, containing the potential input 1 and potential output 2 of the device, the first 3 current output of the device, matched with the first 4 bus of the power source, the second 5 current output of the device, matched with the second 6 bus power source, the first 7 input field-effect transistor, the gate of which is connected to the potential input 1 of the device, the second 8 input field-effect transistor, the gate of which is connected to the potential input 1 devices, the first 9 output field-effect transistor, the source of which is connected to the potential output 2 of the device, and the drain is connected to the first 3 current output of the device, the second 10 output field-effect transistor, the source of which is connected to the potential output 2 of the device, and the drain is connected to the second 5 current output devices. Field-effect transistors with a control pn junction are used as field-effect transistors of the control unit; between the sources of the first 7 and second 8 input field-effect transistors, a current-stabilizing two-terminal 11 is connected, the drain of the first 7 input field-effect transistor is connected to the first 4 bus of the power source, the drain of the second 8 input field-effect transistor with a second 6 power supply bus, the gate of the first 9 output field-effect transistor is connected to the source of the second 8 input field-effect transistor, and the gate of the second 10 output field-effect transistor connected to the source of the first 7 input field-effect transistor.

В частном случае на чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 3 токовый выход устройства соединен с первой 4 шиной источника питания, а второй 5 токовый выход устройств соединен со второй 6 шиной источника питания.In the particular case of the drawing of FIG. 2, in accordance with paragraph 2 of the claims, the first 3 current output of the device is connected to the first 4 bus of the power source, and the second 5 current output of the devices is connected to the second 6 bus of the power source.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, параллельно токостабилизирующему двухполюснику 11 включен корректирующий конденсатор 15, который уменьшает влияние паразитных емкостей 13 и 14 на быстродействие БУ в режим большого сигнала.In the drawing of FIG. 2, in accordance with paragraph 3 of the claims, a correction capacitor 15 is included in parallel with the current-stabilizing two-terminal 11, which reduces the influence of stray capacitors 13 and 14 on the performance of the control unit in the large signal mode.

Рассмотрим работу предлагаемого БУ фиг. 2. Consider the operation of the proposed control unit of FIG. 2.

Особенность и уникальностью схемы заявляемого БУ состоит в том, что статический режим её транзисторов по току определяется одним токостабилизирующим двухполюсником 11, в качестве которого рекомендуется использовать резистор. Статический ток через токостабилизирующий двухполюсник 11 (резистор) определяется уравнениями на основе второго закона Кирхгофа:A feature and uniqueness of the circuit of the claimed control unit is that the static mode of its current transistors is determined by one current-stabilizing two-terminal 11, which is recommended to use a resistor. The static current through the current-stabilizing two-terminal 11 (resistor) is determined by the equations based on the second Kirchhoff law:

Figure 00000001
, (1)
Figure 00000001
, (one)

Figure 00000002
, (2)
Figure 00000002
, (2)

где

Figure 00000003
– напряжение затвор-исток первого 7 и второго 8 входных полевых транзисторов при токе истока, равном I01. Where
Figure 00000003
- gate-source voltage of the first 7 and second 8 input field-effect transistors at a source current equal to I 01 .

Аналогично, статический ток первого 9 и второго 10 выходных полевых транзисторов определяется уравнениями Similarly, the static current of the first 9 and second 10 output field-effect transistors is determined by the equations

Figure 00000004
, (3)
Figure 00000004
, (3)

Figure 00000005
. (4)
Figure 00000005
. (four)

Если первый 7 входной и второй 9 выходной полевые транзисторы, а также второй 8 входной и второй 10 выходной полевые транзисторы идентичны, то из уравнений (2) и (4) следует, что токи истоков всех транзисторов схемы БУ фиг. 2 одинаковы I01=I02, и определяются током через токостабилизирующий двухполюсник 11.If the first 7 input and second 9 output field effect transistors, as well as the second 8 input and second 10 output field effect transistors are identical, then from equations (2) and (4) it follows that the source currents of all transistors of the control circuit of FIG. 2 are the same I 01 = I 02 , and are determined by the current through the current-stabilizing two-terminal 11.

Таким образом, в заявляемом БУ имеется единственный элемент - токостабилизирующий двухполюсник 11 (резистор), определяющий токовый статический режим схемы. Другие известные схемы БУ таким свойством не обладают.Thus, in the claimed control unit there is only one element - the current-stabilizing two-terminal 11 (resistor), which determines the current static mode of the circuit. Other known control circuitry do not have this property.

Если при нулевой емкости корректирующего конденсатора 15 (С15=0) на потенциальный вход 1 БУ (фиг. 2) подается большой положительный импульсный сигнал, то второй 8 входной полевой транзистор практически мгновенно «запирается» и ток через двухполюсник 11, который может иметь высокое сопротивление, начинает медленно заряжать паразитный конденсатор 14. Как следствие, потенциал на затворе первого 9 выходного полевого транзистора и, следовательно, выходное напряжение БУ будут медленно изменятся по линейному закону. В отсутствии корректирующего конденсатора 15 – это отрицательно сказывается на динамической погрешности БУ в режиме большого сигнала.If at a zero capacitance of the correction capacitor 15 (C 15 = 0) a large positive pulse signal is supplied to the potential input 1 of the control unit (Fig. 2), then the second 8 input field-effect transistor is almost instantly “locked” and the current through the two-terminal 11, which can have a high resistance, begins to slowly charge the parasitic capacitor 14. As a result, the potential at the gate of the first 9 output field-effect transistor and, therefore, the output voltage of the control unit will slowly change linearly. In the absence of a correction capacitor 15, this negatively affects the dynamic error of the control unit in the large signal mode.

Рассмотрим далее работу БУ фиг. 2 в соответствии с п. 3 формулы изобретения - для случая, когда емкость корректирующего конденсатора 15 не равна нулю и превышает паразитную емкость 14. В этом случае, большой импульсный сигнал на потенциальном входе 1 БУ передается через первый 7 входной полевой транзистор в цепь истока запертого второго 8 входного полевого транзистора. Благодаря конденсатору 15 изменения напряжения на истоке второго 8 входного полевого транзистора способствуют более быстрому перезаряду паразитного конденсатора 14, что ускоряет переходный процесс и уменьшает динамическую погрешность заявляемого БУ при работе с импульсными сигналами большой амплитуды.Let us further consider the operation of the control unit of FIG. 2 in accordance with paragraph 3 of the claims - for the case when the capacity of the correction capacitor 15 is not equal to zero and exceeds the stray capacitance 14. In this case, a large pulse signal at the potential input 1 of the control unit is transmitted through the first 7 input field-effect transistor to the source circuit locked second 8 input field effect transistor. Thanks to the capacitor 15, the voltage changes at the source of the second 8 input field-effect transistor contribute to faster recharging of the parasitic capacitor 14, which accelerates the transient process and reduces the dynamic error of the claimed control unit when working with pulsed signals of large amplitude.

Схема мостового усилителя фиг. 6, в которой используется два однотипных заявляемых буферных усилителя фиг. 2, позволяет сформировать выходные токи, пропорциональные входному дифференциальному напряжению в широком диапазоне его изменения (фиг. 8, фиг. 9). Это является обязательным условием существенного быстродействия операционных усилителей с использованием мостового усилителя фиг. 6.The bridge amplifier circuit of FIG. 6, in which two of the same type of the claimed buffer amplifiers of FIG. 2, allows you to generate output currents proportional to the input differential voltage in a wide range of its changes (Fig. 8, Fig. 9). This is a prerequisite for the significant performance of operational amplifiers using the bridge amplifier of FIG. 6.

Таким образом, компьютерное моделирование (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 8, фиг. 9) показывает, что предлагаемый буферный усилитель, схемотехника которого адаптирована на применение в диапазоне низких температур и воздействия проникающей радиации [28], имеет существенные достоинства в сравнении с известными вариантами построения БУ при их реализации в рамках КМОП технологического процесса.Thus, computer simulation (Fig. 4, Fig. 5, Fig. 8, Fig. 9) shows that the proposed buffer amplifier, the circuitry of which is adapted for use in the low temperature range and exposure to penetrating radiation [28], has significant advantages in Comparison with the well-known options for constructing a control unit during their implementation as part of the CMOS process.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Патент US 6.215.357, fig. 3, 2001 г.1. Patent US 6,215,357, fig. 3, 2001

2. Патент US 5.351.012, 1994 г. 2. Patent US 5.351.012, 1994

3. Патент US 5.973.534, 1999 г.3. Patent US 5.973.534, 1999

4. Патент US 5.197.124, fig. 25, 1993 г.4. Patent US 5.197.124, fig. 25, 1993

5. Патент US 7.764.123, fig. 3, 2010 г.5. Patent US 7.764.123, fig. 3, 2010

6. Патент US № 6.268.769 fig.3, 2001 г. 6. US patent No. 6.268.769 fig.3, 2001

7. Патент US № 6.420.933, 2002 г.7. US patent No. 6.420.933, 2002

8. Патент US № 5.223.122, 1993 г.8. US patent No. 5.223.122, 1993

9. Патентная заявка US № 2004/0196101, 2004 г.9. Patent application US No. 2004/0196101, 2004

10. Патентная заявка US № 2005/0264358 fig.1, 2005 г.10. Patent application US No. 2005/0264358 fig. 1, 2005

11. Патентная заявка US № 2002/0175759, 2002 г.11. Patent application US No. 2002/0175759, 2002

12. Патент US № 5.049.653 fig.8, 1991 г.12. US Patent No. 5.049.653 fig. 8, 1991.

13. Патент US № 4.837.523, 1989 г.13. US patent No. 4.837.523, 1989

14. Патент US № 5.179.355, 1993 г.14. US patent No. 5.179.355, 1993

15. Патент Японии JP 10.163.763, 1991 г.15. Japan patent JP 10.163.763, 1991

16. Патент Японии JP 10.270.954, 1992 г.16. Japan Patent JP 10.270.954, 1992.

17. Патент US № 5.170.134 fig.6, 1992 г.17. US patent No. 5.170.134 fig.6, 1992

18. Патент US № 4.540.950, 1985 г.18. US Patent No. 4,540.950, 1985

19. Патент US № 4.424.493, 1984 г.19. US patent No. 4.424.493, 1984

20. Патент Японии JP 6310950, 2018 г.20. Japan Patent JP 6310950, 2018.

21. Патент US № 5.378.938, 1995 г.21. US patent No. 5.378.938, 1995.

22. Патент US № 4.827.223, 1989 г.22. US patent No. 4.827.223, 1989

23. Патент US № 6.160.451, 2000 г.23. US patent No. 6.160.451, 2000

24. Патент US № 4.639.685, 1987 г.24. US patent No. 4.639.685, 1987

25. А.св. СССР 1506512, 1986 г.25. A. St. USSR 1506512, 1986

26. Патент US № 5.399.991, 1995 г.26. US patent No. 5.399.991, 1995

27. Патент US № 6.542.032, 2003 г.27. US patent No. 6.542.032, 2003.

28. M. Djebbi, A. Assi and M. Sawan. An offset-compensated wide-bandwidth CMOS current-feedback operational amplifier // CCECE 2003 - Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Toward a Caring and Humane Technology (Cat. No.03CH37436), 2003, pp. 73-76 vol.1. DOI: 10.1109/CCECE.2003.122634728. M. Djebbi, A. Assi and M. Sawan. An offset-compensated wide-bandwidth CMOS current-feedback operational amplifier // CCECE 2003 - Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Toward a Caring and Humane Technology (Cat. No.03CH37436), 2003, pp. 73-76 vol. 1. DOI: 10.1109 / CCECE.2003.1226347

29. N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov, J.M. Savchenko, S.V. Korneev. Maximum rating of Voltage Feedback and Current Feedback Operational Amplifiers in Linear and Nonlinear Modes // Proceeding of the Third International Conference on Circuits and Systems for Communications – ICCSC’06, Politehnica University, Bucharest, Romania: July 6-7, 2006, pp.149-154.29. N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov, J.M. Savchenko, S.V. Korneev. Maximum rating of Voltage Feedback and Current Feedback Operational Amplifiers in Linear and Nonlinear Modes // Proceeding of the Third International Conference on Circuits and Systems for Communications - ICCSC'06, Politehnica University, Bucharest, Romania: July 6-7, 2006, pp. 149-154.

30. 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.30. The element base of radiation-resistant information-measuring systems: monograph / N.N. Prokopenko, O.V. Dvornikov, S.G. Krutchinsky; under the general. ed. Doctor of Technical Sciences prof. N.N. Prokopenko; FSBEI HPE “South-Ros. state University of Economics and Service. ” - Mines: FSBEI HPE "URGUES", 2011. - 208 p.

31. 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.2017.7998507.31. 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.

Claims (3)

1. Буферный усилитель (БУ) на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом для работы при низких температурах, содержащий потенциальный вход (1) и потенциальный выход (2) устройства, первый (3) токовый выход устройства, согласованный с первой (4) шиной источника питания, второй (5) токовый выход устройства, согласованный со второй (6) шиной источника питания, первый (7) входной полевой транзистор, затвор которого соединен с потенциальным входом (1) устройства, второй (8) входной полевой транзистор, затвор которого соединен с потенциальным входом (1) устройства, первый (9) выходной полевой транзистор, исток которого связан с потенциальным выходом (2) устройства, а сток соединен с первым (3) токовым выходом устройства, второй (10) выходной полевой транзистор, исток которого соединен с потенциальным выходом (2) устройства, а сток соединен со вторым (5) токовым выходом устройства, отличающийся тем, что в качестве полевых транзисторов схемы БУ применены полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, между истоками первого (7) и второго (8) входных полевых транзисторов включен токостабилизирующий двухполюсник (11), сток первого (7) входного полевого транзистора связан с первой (4) шиной источника питания, сток второго (8) входного полевого транзистора связан со второй (6) шиной источника питания, затвор первого (9) выходного полевого транзистора подключен к истоку второго (8) входного полевого транзистора, а затвор второго (10) выходного полевого транзистора подключен к истоку первого (7) входного полевого транзистора.1. Buffer amplifier (BU) on complementary field-effect transistors with a control pn junction for operation at low temperatures, containing the potential input (1) and potential output (2) of the device, the first (3) current output of the device, matched with the first (4) bus power source, the second (5) current output of the device, consistent with the second (6) bus of the power source, the first (7) input field-effect transistor, the gate of which is connected to the potential input (1) of the device, the second (8) input field-effect transistor, the gate of which connected to potent the input input (1) of the device, the first (9) output field-effect transistor, the source of which is connected to the potential output (2) of the device, and the drain is connected to the first (3) current output of the device, the second (10) output field-effect transistor, the source of which is connected to potential output (2) of the device, and the drain is connected to the second (5) current output of the device, characterized in that field transistors with a control pn junction are used as field transistors of the control circuit between the sources of the first (7) and second (8) input field transistor turned on toko tabulating two-terminal device (11), the drain of the first (7) input field-effect transistor is connected to the first (4) power supply bus, the drain of the second (8) input field-effect transistor is connected to the second (6) power supply bus, the gate of the first (9) output field-effect transistor connected to the source of the second (8) input field-effect transistor, and the gate of the second (10) output field-effect transistor is connected to the source of the first (7) input field-effect transistor. 2. Буферный усилитель на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом для работы при низких температурах по п. 1, отличающийся тем, что первый (3) токовый выход устройства соединен с первой (4) шиной источника питания, а второй (5) токовый выход устройства соединен со второй (6) шиной источника питания.2. A buffer amplifier on complementary field-effect transistors with a control pn junction for operation at low temperatures according to claim 1, characterized in that the first (3) current output of the device is connected to the first (4) bus of the power source, and the second (5) current output the device is connected to a second (6) power supply bus. 3. Буферный усилитель на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом для работы при низких температурах по п. 1, отличающийся тем, что параллельно токостабилизирующему двухполюснику (11) включен корректирующий конденсатор (15). 3. A buffer amplifier based on complementary field-effect transistors with a p-n junction control for operation at low temperatures according to claim 1, characterized in that a correction capacitor (15) is connected in parallel with the current-stabilizing two-terminal network (11).
RU2018121299A 2018-06-08 2018-06-08 Buffer amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures RU2684489C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018121299A RU2684489C1 (en) 2018-06-08 2018-06-08 Buffer amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018121299A RU2684489C1 (en) 2018-06-08 2018-06-08 Buffer amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2684489C1 true RU2684489C1 (en) 2019-04-09

Family

ID=66090091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018121299A RU2684489C1 (en) 2018-06-08 2018-06-08 Buffer amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2684489C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2710298C1 (en) * 2019-08-21 2019-12-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Non-inverting amplifier with current output for operation at low temperatures
RU2712410C1 (en) * 2019-07-03 2020-01-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Buffer amplifier with low zero-offset voltage on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2721940C1 (en) * 2020-01-30 2020-05-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Buffer amplifier of class ab on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures
RU2786630C1 (en) * 2022-09-19 2022-12-23 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) CLASS AB BUFFER AMPLIFIER ON n-p-n BIPOLAR TRANSISTORS

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5973534A (en) * 1998-01-29 1999-10-26 Sun Microsystems, Inc. Dynamic bias circuit for driving low voltage I/O transistors
US6215357B1 (en) * 1997-09-03 2001-04-10 Canon Kabushiki Kaisha Operational amplifier
US7764123B2 (en) * 2007-12-18 2010-07-27 Freescale Semiconductor, Inc. Rail to rail buffer amplifier
RU2621286C1 (en) * 2016-02-24 2017-06-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Differential operational amplifier for operating at low temperatures
RU2624585C1 (en) * 2016-03-18 2017-07-04 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Low temperature radiation resistant multidifferencial operation amplifier

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6215357B1 (en) * 1997-09-03 2001-04-10 Canon Kabushiki Kaisha Operational amplifier
US5973534A (en) * 1998-01-29 1999-10-26 Sun Microsystems, Inc. Dynamic bias circuit for driving low voltage I/O transistors
US7764123B2 (en) * 2007-12-18 2010-07-27 Freescale Semiconductor, Inc. Rail to rail buffer amplifier
RU2621286C1 (en) * 2016-02-24 2017-06-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Differential operational amplifier for operating at low temperatures
RU2624585C1 (en) * 2016-03-18 2017-07-04 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Low temperature radiation resistant multidifferencial operation amplifier

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2712410C1 (en) * 2019-07-03 2020-01-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Buffer amplifier with low zero-offset voltage on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2710298C1 (en) * 2019-08-21 2019-12-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Non-inverting amplifier with current output for operation at low temperatures
RU2721940C1 (en) * 2020-01-30 2020-05-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Buffer amplifier of class ab on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures
RU2786630C1 (en) * 2022-09-19 2022-12-23 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) CLASS AB BUFFER AMPLIFIER ON n-p-n BIPOLAR TRANSISTORS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2624565C1 (en) Instrument amplifier for work at low temperatures
RU2684489C1 (en) Buffer amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures
RU2688225C1 (en) Differential amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2566963C1 (en) Differential input stage of high-speed operational amplifier for cmos technological processes
RU2710917C1 (en) Analogue microcircuit output cascade on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2677401C1 (en) Bipolar-field buffer amplifier
RU2346388C1 (en) Differential amplifier
RU2687161C1 (en) Buffer amplifier for operation at low temperatures
RU2711725C1 (en) High-speed output cascade of analogue microcircuits on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures
RU2615068C1 (en) Bipolar-field differential operational amplifier
RU2712416C1 (en) Input differential cascade on complementary field-effect transistors for operation at low temperatures
RU2732583C1 (en) Low-temperature operational amplifier with high attenuation of input in-phase signal on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2721943C1 (en) Low-temperature input stage of operational amplifier with high attenuation of input common-mode signal on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2615066C1 (en) Operational amplifier
RU2741055C1 (en) Operational amplifier with "floating" input differential cascade on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2670777C9 (en) Bipolar-field buffer amplifier for operating at low temperatures
RU2684473C1 (en) Differential cascade on complementary field-effect transistors
RU2710846C1 (en) Composite transistor based on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2712410C1 (en) Buffer amplifier with low zero-offset voltage on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2621286C1 (en) Differential operational amplifier for operating at low temperatures
RU2441316C1 (en) Differential amplifier with low supply voltage
RU2658818C1 (en) Differential voltage-current converter with wide range of linear operation
RU2452077C1 (en) Operational amplifier with paraphase output
RU2723673C1 (en) Low-temperature and radiation-stable voltage follower on complementary field transistors with control p-n junction for tasks of designing active rc-filters
RU2319288C1 (en) Differential amplifier using low-voltage power supply