RU2723673C1 - Низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных rc-фильтров - Google Patents

Низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных rc-фильтров Download PDF

Info

Publication number
RU2723673C1
RU2723673C1 RU2020110717A RU2020110717A RU2723673C1 RU 2723673 C1 RU2723673 C1 RU 2723673C1 RU 2020110717 A RU2020110717 A RU 2020110717A RU 2020110717 A RU2020110717 A RU 2020110717A RU 2723673 C1 RU2723673 C1 RU 2723673C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
field
effect transistor
output
input
source
Prior art date
Application number
RU2020110717A
Other languages
English (en)
Inventor
Анна Витальевна Бугакова
Алексей Евгеньевич Титов
Николай Николаевич Прокопенко
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 RU2020110717A priority Critical patent/RU2723673C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2723673C1 publication Critical patent/RU2723673C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/26—Push-pull amplifiers; Phase-splitters therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/30—Single-ended push-pull [SEPP] amplifiers; Phase-splitters therefor

Abstract

Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники. Технический результат: создание простого радиационно-стойкого и низкотемпературного схемотехнического решения повторителя напряжения на комплементарных полевых транзисторах, обеспечивающего повышенную стабильность статического режима транзисторов и низкий уровень шумов, в том числе при работе в диапазоне низких температур и технологических разбросов параметров элементов. Для этого предложен низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных RC-фильтров, у которого по сравнению с прототипом затвор первого (3) входного полевого транзистора соединен с входом (1) устройства, исток второго (5) входного полевого транзистора соединен с затвором первого (7) выходного полевого транзистора и подключен к истоку первого (7) выходного полевого транзистора через первый (9) токостабилизирующий резистор, исток первого (3) входного полевого транзистора соединен с затвором второго (8) выходного полевого транзистора и подключен к истоку второго (8) выходного полевого транзистора через второй (10) токостабилизирующий резистор. 12 ил.

Description

Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в качестве повторителя напряжения или двухтактного буферного усилителя в различных микроэлектронных аналоговых устройствах (активных RC-фильтрах, операционных усилителях, драйверах линий связи и т.п.), допускающих работу в условиях воздействия проникающей радиации и низких температур.
Известно значительное количество схем микроэлектронных повторителей напряжения и двухтактных буферных усилителей (БУ), которые реализуются на комплементарных биполярных (BJT) или полевых (КМОП, КНИ, КНС и др.) транзисторах, а также при их совместном включении [1-27].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является повторитель напряжения (фиг. 1), представленный в патенте RU 2711725, фиг. 2, 2020 г. Он содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 входной полевой транзистор, сток которого согласован с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной полевой транзисторов, затвор которого подключен ко входу 1 устройства, а сток согласован со второй 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 выходные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены с выходом 2 устройства, первый 9 и второй 10 токостабилизирующие резисторы, причем сток первого 7 выходного полевого транзистора связан с первой 4 шиной источника питания, а сток второго 8 выходного полевого транзистора связан со второй 6 шиной источника питания.
Существенный недостаток известного повторителя напряжения (ПН) состоит в том, что статический режим транзисторов его схемы определяется сравнительно большим числом активных и пассивных элементов (шестью транзисторами и двумя резисторами). Это отрицательно сказывается на работе ПН в условиях технологического разброса параметров элементов, который наиболее существенно сказывается на характеристиках ПН в условиях низких температур и радиационных воздействий.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании более простого (по числу JFET транзисторов) радиационно-стойкого и низкотемпературного схемотехнического решения ПН 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 и технологических разбросов параметров элементов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в повторителе напряжения фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 входной полевой транзистор, сток которого согласован с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной полевой транзисторов, затвор которого подключен ко входу 1 устройства, а сток согласован со второй 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 выходные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены с выходом 2 устройства, первый 9 и второй 10 токостабилизирующие резисторы, причем сток первого 7 выходного полевого транзистора связан с первой 4 шиной источника питания, а сток второго 8 выходного полевого транзистора связан со второй 6 шиной источника питания, предусмотрены новые связи – затвор первого 3 входного полевого транзистора соединен со входом 1 устройства, исток второго 5 входного полевого транзистора соединен с затвором первого 7 выходного полевого транзистора и подключен к истоку первого 7 выходного полевого транзистора через первый 9 токостабилизирующий резистор, исток первого 3 входного полевого транзистора соединен с затвором второго 8 выходного полевого транзистора и подключен к истоку второго 8 выходного полевого транзистора через второй 10 токостабилизирующий резистор.
На фиг. 1 представлена схема повторителя напряжения – прототипа.
На фиг. 2 приведена схема заявляемого низкотемпературного и радиационно-стойкого повторителя напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных RC-фильтров.
На фиг. 3 показан статический режим ПН фиг. 2 при t=27°C, R1=R2=20 кОм, Rн=∞.
На фиг. 4 представлен статический режим ПН фиг. 2 при t=-197°C, R1=R2=20 кОм, Rн=∞.
На фиг. 5 приведена зависимость выходного напряжения (VВых) от входного напряжения (VВх) ПН фиг. 3 при t=27°C и разных сопротивлениях нагрузки (Rн=5 кОм/10 кОм/20 кОм/50 кОм/500 кОм/ ∞).
На фиг. 6 показана зависимость выходного напряжения (VВых) от входного напряжения (VВх) ПН фиг. 4 при t=-197°C и разных сопротивлениях нагрузки (Rн=5 кОм/10 кОм/20 кОм/50 кОм/500 кОм/ ∞).
На фиг. 7 представлена зависимость выходного напряжения ПН фиг. 3 (фиг. 4) от температуры в диапазоне -197°С ÷ +27°С при нулевом входном напряжении (VВх=0В) и сопротивлении нагрузки Rн=∞. При этом использовались компьютерные модели JFET транзисторов, представленные в [28,29].
На фиг. 8 приведена зависимость выходного напряжения ПН фиг. 3 от потока нейтронов в диапазоне Fn=1e13÷1e15 н/см2 при нулевом входном напряжении (VВх=0В) и сопротивлении нагрузки Rн=∞. При этом использовались компьютерные модели JFET транзисторов, представленные в [28,29].
На фиг. 9 показан пример включения заявляемого ПН в структуре фильтра верхних частот.
На фиг. 10 представлен пример включения заявляемого ПН в структуре фильтра нижних частот (ФНЧ) Чебышева 3-го порядка.
На фиг. 11 приведен пример включения заявляемого ПН в структуре ФНЧ Баттеворта 4-го порядка.
На фиг. 12 показан пример включения заявляемого ПН в структуре ФНЧ Бесселя 5-го порядка.
Низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных RC-фильтров фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 входной полевой транзистор, сток которого согласован с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной полевой транзисторов, затвор которого подключен ко входу 1 устройства, а сток согласован со второй 6 шиной источника питания, первый 7 и второй 8 выходные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены с выходом 2 устройства, первый 9 и второй 10 токостабилизирующие резисторы, причем сток первого 7 выходного полевого транзистора связан с первой 4 шиной источника питания, а сток второго 8 выходного полевого транзистора связан со второй 6 шиной источника питания. Затвор первого 3 входного полевого транзистора соединен со входом 1 устройства, исток второго 5 входного полевого транзистора соединен с затвором первого 7 выходного полевого транзистора и подключен к истоку первого 7 выходного полевого транзистора через первый 9 токостабилизирующий резистор, исток первого 3 входного полевого транзистора соединен с затвором второго 8 выходного полевого транзистора и подключен к истоку второго 8 выходного полевого транзистора через второй 10 токостабилизирующий резистор.
При этом на чертеже фиг. 2 двухполюсник 11 моделирует свойства нагрузки, подключаемой к выходу устройства 2.
На фиг. 9 показан пример включения заявляемого ПН в структуре фильтра верхних частот (ФВЧ), содержащего вход 12 и выход 13 ФВЧ, а также частотозадающие конденсаторы 14 и 15, частотозадающие резисторы 16, 17 и заявляемый повторитель напряжения 18.
На фиг. 10 представлен пример включения заявляемого ПН в структуре фильтра нижних частот (ФНЧ) Чебышева 3-го порядка, который содержит вход 19 и выход 20 ФНЧ, частотозадающие конденсаторы 21, 22 и 23, частотозадающие резисторы 24, 25, 26, а также заявляемый повторитель напряжения 27.
На фиг. 11 приведен пример включения заявляемого ПН в структуре ФНЧ Баттеворта 4-го порядка, который содержит вход 28 и выход 39 устройства, частотозадающие резисторы 29, 30, 31 и 32, частотозадающие конденсаторы 33, 34, 35, 36, а также заявляемые повторители напряжения 37 и 38.
На фиг. 12 показан пример включения заявляемого ПН в структуре ФНЧ Бесселя 5-го порядка, содержащего вход 40 и выход 53 устройства, частотозадающие резисторы 41, 42, 43, 44, 45 и частотозадающие конденсаторы 46, 47, 48, 49, 50. В качестве буферных усилителей 51 и 52 в данной схеме могут использоваться заявляемые повторители напряжения.
Рассмотрим работу ПН фиг. 2 с учетом результатов моделирования его характеристик, показанных на чертежах фиг. 5 – фиг. 8.
В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки 11 токи истоков первого 7 выходного и второго 5 входного полевых транзисторов, а также первого 3 входного и второго 8 выходного полевых транзисторов определяются формулами
Figure 00000001
(1)
Figure 00000002
(2)
где R9, R10 – сопротивления соответствующих первого 9 и второго 10 токостабилизирующих резисторов,
Uзи.i - напряжение затвор-исток i-го полевого транзистора при заданном токе истока.
Из формул (1) и (2) следует, что статические режимы первого 3 и второго 5 входных полевых транзисторов могут устанавливаться независимо друг от друга вторым 10 первым 9 токостабилизирующими резисторами. При этом статическое напряжение на выходе 2 устройства (при идентичных стоко-затворных характеристиках транзисторов с p- и n–каналами) близко к нулю:
Figure 00000003
(3)
В практических схемах ПН из-за разности пороговых напряжений транзисторов с p- и n-каналами в схеме фиг.2 выходное напряжение (так называемое напряжение смещения нуля ПН Uсм) лежит в диапазонах единиц-десятков милливольт. При этом численные значения Uсм могут устанавливаться, в зависимости от диапазона внешних воздействий, за счет рационального выбора сопротивлений R9 и R10.
Если входное напряжение в схеме фиг. 2 получает положительное приращение, то ток в нагрузке 11 также получает положительное приращение за счет увеличения тока истока первого 7 выходного полевого транзистора.
При отрицательных входных напряжениях приращение тока в двухполюснике нагрузки 11 обеспечивается за счет увеличения тока истока второго 8 выходного полевого транзистора.
Как следует из графиков фиг. 5 и фиг. 6, заявляемый повторитель напряжения обеспечивает (при больших сопротивлениях нагрузки 11) максимальные выходные напряжения, близкие к напряжениям на первой 4 и второй 6 шинах питания, в т.ч. в криогенном диапазоне температур (фиг. 7). При этом, как следует из графиков фиг. 8, заявляемая схема ПН работоспособна в широком диапазоне изменения потока нейтронов.
Компьютерное моделирование показывает, что предлагаемый ПН может найти применение в низкотемпературных радиационно-стойких аналоговых устройствах. Примеры его использования в задачах проектирования низкотемпературных радиационно-стойких активных RC-фильтров приведены на чертежах фиг. 9 – фиг. 12. При этом за счет соответствующего выбора частотозадающих резисторов и конденсаторов в представленных выше схемах фильтров реализуются различные амплитудно-частотные характеристики (фильтров Чебышева, Баттерворта и Бесселя).
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 6.215.357, fig. 3, 2001 г.
2. Патент US 5.351.012, 1994 г.
3. Патент US 5.973.534, 1999 г.
4. Патент US 5.197.124, fig. 25, 1993 г.
5. Патент US 7.764.123, fig. 3, 2010 г.
6. Патент US № 6.268.769 fig.3, 2001 г.
7. Патент US № 6.420.933, 2002 г.
8. Патент US № 5.223.122, 1993 г.
9. Патентная заявка US № 2004/0196101, 2004 г.
10. Патентная заявка US № 2005/0264358 fig.1, 2005 г.
11. Патентная заявка US № 2002/0175759, 2002 г.
12. Патент US № 5.049.653 fig.8, 1991 г.
13. Патент US № 4.837.523, 1989 г.
14. Патент US № 5.179.355, 1993 г.
15. Патент Японии JP 10.163.763, 1991 г.
16. Патент Японии JP 10.270.954, 1992 г.
17. Патент US № 5.170.134 fig.6, 1992 г.
18. Патент US № 4.540.950, 1985 г.
19. Патент US № 4.424.493, 1984 г.
20. Патент Японии JP 6310950, 2018 г.
21. Патент US № 5.378.938, 1995 г.
22. Патент US № 4.827.223, 1989 г.
23. Патент US № 6.160.451, 2000 г.
24. Патент US № 4.639.685, 1987 г.
25. А.св. СССР 1506512, 1986 г.
26. Патент US № 5.399.991, 1995 г.
27. Патент US № 6.542.032, 2003 г.
28. 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.
29. 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 (1)

  1. Низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных RC-фильтров, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) входной полевой транзистор, сток которого согласован с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной полевой транзистор, затвор которого подключен ко входу (1) устройства, а сток согласован со второй (6) шиной источника питания, первый (7) и второй (8) выходные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены с выходом (2) устройства, первый (9) и второй (10) токостабилизирующие резисторы, причем сток первого (7) выходного полевого транзистора связан с первой (4) шиной источника питания, а сток второго (8) выходного полевого транзистора связан со второй (6) шиной источника питания, отличающийся тем, что затвор первого (3) входного полевого транзистора соединен со входом (1) устройства, исток второго (5) входного полевого транзистора соединен с затвором первого (7) выходного полевого транзистора и подключен к истоку первого (7) выходного полевого транзистора через первый (9) токостабилизирующий резистор, исток первого (3) входного полевого транзистора соединен с затвором второго (8) выходного полевого транзистора и подключен к истоку второго (8) выходного полевого транзистора через второй (10) токостабилизирующий резистор.
RU2020110717A 2020-03-13 2020-03-13 Низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных rc-фильтров RU2723673C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020110717A RU2723673C1 (ru) 2020-03-13 2020-03-13 Низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных rc-фильтров

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020110717A RU2723673C1 (ru) 2020-03-13 2020-03-13 Низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных rc-фильтров

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2723673C1 true RU2723673C1 (ru) 2020-06-17

Family

ID=71096076

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020110717A RU2723673C1 (ru) 2020-03-13 2020-03-13 Низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных rc-фильтров

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2723673C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4777392A (en) * 1986-07-29 1988-10-11 Sgs-Thomson Microelectronics Spa Voltage repeater circuit for loads with a resistive component with harmonic distortion compensation
SU1799220A1 (ru) * 1990-10-16 1996-07-20 Институт физики высоких энергий Повторитель напряжений
RU2078397C1 (ru) * 1992-04-20 1997-04-27 Шахтинский Технологический Институт Бытового Обслуживания Повторитель напряжения
RU2711725C1 (ru) * 2019-06-20 2020-01-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Быстродействующий выходной каскад аналоговых микросхем на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом для работы при низких температурах

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4777392A (en) * 1986-07-29 1988-10-11 Sgs-Thomson Microelectronics Spa Voltage repeater circuit for loads with a resistive component with harmonic distortion compensation
SU1799220A1 (ru) * 1990-10-16 1996-07-20 Институт физики высоких энергий Повторитель напряжений
RU2078397C1 (ru) * 1992-04-20 1997-04-27 Шахтинский Технологический Институт Бытового Обслуживания Повторитель напряжения
RU2711725C1 (ru) * 2019-06-20 2020-01-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Быстродействующий выходной каскад аналоговых микросхем на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом для работы при низких температурах

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2624565C1 (ru) Инструментальный усилитель для работы при низких температурах
RU2710296C1 (ru) Дифференциальный каскад на комплементарных jfet полевых транзисторах с повышенным ослаблением входного синфазного сигнала
RU2566963C1 (ru) Дифференциальный входной каскад быстродействующего операционного усилителя для кмоп-техпроцессов
RU2684489C1 (ru) Буферный усилитель на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом для работы при низких температурах
RU2677401C1 (ru) Биполярно-полевой буферный усилитель
RU2710917C1 (ru) Выходной каскад аналоговых микросхем на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом
RU2723673C1 (ru) Низкотемпературный и радиационно-стойкий повторитель напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим pn-переходом для задач проектирования активных rc-фильтров
KR20130100753A (ko) 입력 보호 회로
RU2670777C1 (ru) Биполярно-полевой буферный усилитель для работы при низких температурах
RU2523947C1 (ru) Выходной каскад усилителя мощности на основе комплементарных транзисторов
RU2721940C1 (ru) Буферный усилитель класса ав на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом для работы при низких температурах
RU2687161C1 (ru) Буферный усилитель для работы при низких температурах
RU2710846C1 (ru) Составной транзистор на основе комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом
RU2732583C1 (ru) Низкотемпературный операционный усилитель с повышенным ослаблением входного синфазного сигнала на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом
RU2712410C1 (ru) Буферный усилитель с малым напряжением смещения нуля на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом
RU2615068C1 (ru) Биполярно-полевой дифференциальный операционный усилитель
US20130154604A1 (en) Reference current generation circuit and reference voltage generation circuit
RU2711725C1 (ru) Быстродействующий выходной каскад аналоговых микросхем на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом для работы при низких температурах
RU2712416C1 (ru) Входной дифференциальный каскад на комплементарных полевых транзисторах для работы при низких температурах
RU2684473C1 (ru) Дифференциальный каскад на комплементарных полевых транзисторах
RU2621286C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель для работы при низких температурах
RU2784047C1 (ru) Быстродействующий двухтактный буферный усилитель на комплементарных полевых транзисторах
RU2739577C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом
RU2441316C1 (ru) Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания
RU2710298C1 (ru) Неинвертирующий усилитель с токовым выходом для работы при низких температурах