RU2780220C1 - Operational amplifier based on two-stroke "inverse" cascode and complementary fet-steristors with control pn-junction - Google Patents

Operational amplifier based on two-stroke "inverse" cascode and complementary fet-steristors with control pn-junction Download PDF

Info

Publication number
RU2780220C1
RU2780220C1 RU2022102927A RU2022102927A RU2780220C1 RU 2780220 C1 RU2780220 C1 RU 2780220C1 RU 2022102927 A RU2022102927 A RU 2022102927A RU 2022102927 A RU2022102927 A RU 2022102927A RU 2780220 C1 RU2780220 C1 RU 2780220C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
field
effect transistor
source
input
output
Prior art date
Application number
RU2022102927A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Владислав Евгеньевич Чумаков
Анна Витальевна Бугакова
Алексей Евгеньевич Титов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
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)
Application granted granted Critical
Publication of RU2780220C1 publication Critical patent/RU2780220C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of radio engineering. To achieve the effect, an operational amplifier based on a push-pull "kinked" cascode and complementary field-effect transistors with a control pn-junction is proposed, in which the source of the first (4) input field-effect transistor is connected to the gate of the third (6) input field-effect transistor and through the first (16) auxiliary resistor connected to the source of the third (6) input FET, the source of the second (5) input FET is connected to the gate of the fourth (7) input FET and through the second (17) auxiliary resistor is connected to the combined sources of the first (6) and second (7) input field effect transistors.
EFFECT: creation of conditions under which the input capacitance in the op-amp is halved, and small values of the systematic component of the zero bias voltage are realized.
4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве малошумящего устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения, в т.ч. работающих в широком диапазоне температур и воздействия радиации.The invention relates to the field of radio engineering and can be used as a low-noise device for amplifying analog signals, in the structure of analog interfaces for various functional purposes, incl. operating in a wide range of temperatures and exposure to radiation.

Известны схемы классических операционных усилителей (ОУ), содержащие так называемый двухтактный «перегнутый» каскод, включающий два «перегнутых» каскода на полевых транзисторах с p и n каналами, нагруженные друг на друга и имеющих общий высокоимпедансный узел [1-11]. Это одна из наиболее популярных схем ОУ в аналоговой микроэлектронике. При этом входные каскады таких ОУ выполняются в рамках десятков различных схемотехнических решений [1-11]. There are circuits of classical operational amplifiers (op-amps) containing the so-called push-pull "kinked" cascode, which includes two "kinked" cascodes on field-effect transistors with p and n channels, loaded on each other and having a common high-impedance node [1-11]. This is one of the most popular op-amp circuits in analog microelectronics. At the same time, the input stages of such op-amps are performed within dozens of different circuit solutions [1-11].

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель на основе двухтактного «перегнутого» каскода, представленный в статье Dimitri Danyuk "Linear Integrated Systems Headphone Amplifier Evaluation Board", Linear Integrated Systems, p. 1-17, URL: http://www.linearsystems.com/lsdata/others/ Headphone_Amplifier_Evaluation_Board.pdf. Он содержит первый 1 и второй 2 входы устройства, токовый выход 3 устройства, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 входные полевые транзисторы, первый 8 выходной полевой транзистор, затвор которого связан с первым 9 источником напряжения смещения, сток подключен к токовому выходу 3 устройства, а исток соединен со стоком второго 5 входного полевого транзистора и через первый 10 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 11 шиной источника питания, второй 12 выходной полевой транзистор, затвор которого связан со вторым 13 источником напряжения смещения, сток подключен к токовому выходу 3 устройства, а исток соединен со стоком четвертого 7 входного полевого транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 15 шиной источника питания, затвор первого 4 входного полевого транзистора соединен с первым 1 входом устройства, а его сток согласован с первой 11 шиной источника питания, затвор второго 5 входного полевого транзистора связан со вторым 2 входом устройства, сток третьего 6 входного полевого транзистора согласован со второй 15 шиной источника питания, первый 16 и второй 17 вспомогательные резисторы.The closest prototype (Fig. 1) of the proposed device is an operational amplifier based on a push-pull "kinked" cascode, presented in the article by Dimitri Danyuk "Linear Integrated Systems Headphone Amplifier Evaluation Board", Linear Integrated Systems, p. 1-17, URL: http://www.linearsystems.com/lsdata/others/Headphone_Amplifier_Evaluation_Board.pdf. It contains the first 1 and second 2 inputs of the device, the current output 3 of the device, the first 4, the second 5, the third 6 and the fourth 7 input field-effect transistors, the first 8 output field-effect transistor, the gate of which is connected to the first 9 bias voltage source, the drain is connected to the current output 3 of the device, and the source is connected to the drain of the second 5 input field-effect transistor and through the first 10 current-stabilizing two-pole is connected to the first 11 power supply bus, the second 12 output field-effect transistor, the gate of which is connected to the second 13 bias voltage source, the drain is connected to the current output 3 device, and the source is connected to the drain of the fourth 7 input field-effect transistor and through the second 14 current-stabilizing two-pole is connected to the second 15 power supply bus, the gate of the first 4 input field-effect transistor is connected to the first 1 input of the device, and its drain is matched to the first 11 power supply bus, the gate of the second 5 input field effect transistor is connected to the second 2 input device, the drain of the third 6 input field-effect transistor is matched with the second 15 power supply bus, the first 16 and second 17 are auxiliary resistors.

Существенный недостаток известного ОУ фиг. 1 состоит в том, что он имеет повышенную входную емкость, что отрицательно сказывается на работе схемы в диапазоне высоких частот. Кроме этого в нем не обеспечиваются малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм), что обусловлено недостатками его архитектуры.A significant drawback of the known op-amp of Fig. 1 is that it has an increased input capacitance, which adversely affects the operation of the circuit in the high frequency range. In addition, it does not provide small values of the systematic component of the zero bias voltage (Ucm), which is due to the shortcomings of its architecture.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых в ОУ уменьшается в два раза входная емкость (за счет этого обеспечивается расширенный диапазон рабочих частот), а также реализуются малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм), которая определяется симметрией и качеством схемотехнического решения ОУ при его «идеальном» построении, и в этом случае близка к нулю. При этом положительный эффект в схеме фиг. 2 обеспечивается за счет специального построения входного дифференциального каскада ОУ и двухтактного «перегнутого» каскода в соответствии с формулой изобретения.The main objective of the proposed invention is to create conditions under which the input capacitance in the op-amp is halved (due to this, an extended operating frequency range is provided), and small values of the systematic component of the zero bias voltage (Ucm) are realized, which is determined by the symmetry and quality of the circuit design. solution of the CO in its "ideal" construction, and in this case is close to zero. In this case, the positive effect in the scheme of Fig. 2 is provided due to the special construction of the input differential stage of the op-amp and the push-pull "bent" cascode in accordance with the claims.

Поставленная задача решается тем, что в ОУ фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входы устройства, токовый выход 3 устройства, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 входные полевые транзисторы, первый 8 выходной полевой транзистор, затвор которого связан с первым 9 источником напряжения смещения, сток подключен к токовому выходу 3 устройства, а исток соединен со стоком второго 5 входного полевого транзистора и через первый 10 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 11 шиной источника питания, второй 12 выходной полевой транзистор, затвор которого связан со вторым 13 источником напряжения смещения, сток подключен к токовому выходу 3 устройства, а исток соединен со стоком четвертого 7 входного полевого транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 15 шиной источника питания, затвор первого 4 входного полевого транзистора соединен с первым 1 входом устройства, а его сток согласован с первой 11 шиной источника питания, затвор второго 5 входного полевого транзистора связан со вторым 2 входом устройства, сток третьего 6 входного полевого транзистора согласован со второй 15 шиной источника питания, первый 16 и второй 17 вспомогательные резисторы, предусмотрены новые элементы и связи – исток первого 4 входного полевого транзистора связан с затвором третьего 6 входного полевого транзистора и через первый 16 вспомогательный резистор соединен с истоком третьего 6 входного полевого транзистора, исток второго 5 входного полевого транзистора соединен с затвором четвертого 7 входного полевого транзистора, и через второй 17 вспомогательный резистор соединен с объединенными истоками первого 6 и второго 7 входных полевых транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник 10 содержит первый 18 и второй 19 дополнительные полевые транзисторы, затворы которых подключены к первой 11 шине источника питания, стоки объединены и соединены с истоком второго 8 выходного полевого транзистора, причем исток первого 18 дополнительного полевого транзистора соединен с первой 11 шиной источника питания через первый 20 дополнительный резистор, а исток второго 19 дополнительного полевого транзистора подключен к первой 11 шине источника питания через второй 21 дополнительный резистор, второй 14 токостабилизирующий двухполюсник содержит третий 22 и четвертый 23 дополнительные полевые транзисторы, затворы которых подключены к истоку второго 12 выходного полевого транзистора, стоки объединены и подключены ко второй 15 шине источника питания, причем исток третьего 22 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком второго 12 выходного полевого транзистора через третий 24 дополнительный резистор, а исток четвертого 23 дополнительного полевого транзистора подключен к истоку второго 12 выходного полевого транзистора через четвертый 25 дополнительный резистор. The problem is solved by the fact that in the OS of Fig. 1, containing the first 1 and second 2 inputs of the device, the current output 3 of the device, the first 4, the second 5, the third 6 and the fourth 7 input field-effect transistors, the first 8 output field-effect transistor, the gate of which is connected to the first 9 bias voltage source, the drain is connected to current output 3 of the device, and the source is connected to the drain of the second 5 input field-effect transistor and through the first 10 current-stabilizing bipolar connected to the first 11 power supply bus, the second 12 output field-effect transistor, the gate of which is connected to the second 13 bias voltage source, the drain is connected to the current output 3 devices, and the source is connected to the drain of the fourth 7 input field-effect transistor and through the second 14 current-stabilizing bipolar is connected to the second 15 power supply bus, the gate of the first 4 input field-effect transistor is connected to the first 1 input of the device, and its drain is matched to the first 11 power supply bus , the gate of the second 5 input FET is connected to the second 2 device input, the drain of the third 6 input field-effect transistor is matched with the second 15 power supply bus, the first 16 and second 17 auxiliary resistors, new elements and connections are provided - the source of the first 4 input field-effect transistor is connected to the gate of the third 6 input field-effect transistor and through the first 16 auxiliary the resistor is connected to the source of the third 6 input field-effect transistor, the source of the second 5 input field-effect transistor is connected to the gate of the fourth 7 input field-effect transistor, and through the second 17 auxiliary resistor is connected to the combined sources of the first 6 and second 7 input field-effect transistors, the first current-stabilizing bipolar 10 contains the first 18 and second 19 additional field-effect transistors, the gates of which are connected to the first 11 power supply bus, the drains are combined and connected to the source of the second 8 output field-effect transistor, and the source of the first 18 additional field-effect transistor is connected to the first 11 source bus and power supply through the first 20 additional resistor, and the source of the second 19 additional field-effect transistor is connected to the first 11 power supply bus through the second 21 additional resistor, the second 14 current-stabilizing two-pole contains the third 22 and 23 fourth additional field-effect transistors, the gates of which are connected to the source of the second 12 output field effect transistor, the drains are combined and connected to the second 15 power supply bus, and the source of the third 22 additional field effect transistor is connected to the source of the second 12 output field effect transistor through the third 24 additional resistor, and the source of the fourth 23 additional field effect transistor is connected to the source of the second 12 output field effect transistor through the fourth 25 additional resistor.

На чертеже фиг. 1 приведена схема ОУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1, п. 2 и п. 3 формулы изобретения.In the drawing of FIG. 1 shows a diagram of the op-amp prototype, and the drawing of FIG. 2 shows a diagram of the claimed device in accordance with paragraph 1, paragraph 2 and paragraph 3 of the claims.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 4 формулы изобретения.In the drawing of FIG. 3 shows a diagram of the claimed device in accordance with paragraph 4 of the claims.

На чертеже фиг. 4 показана схема для моделирования операционного усилителя фиг. 2 в среде LTspice на моделях Si полевых транзисторах ОАО «Интеграл» (г. Минск) при комнатной температуре t=27°С, R1÷R6=10,2 кОм (R16=R17=R20=R21=R24=R25, см. фиг. 2), напряжениях на первом 28 и втором 29 вспомогательных двухполюсников 4 В, напряжении первого 9 источника напряжения смещения 5,3 В, напряжении второго (13) источника напряжения смещения -4 В, емкости корректирующего конденсатора (30) – 15 пФ, напряжениях на первой 11 и второй 15 шинах источников питания ±10 В.In the drawing of FIG. 4 shows a circuit for simulating the operational amplifier of FIG. 2 in the LTspice environment on models of Si field-effect transistors of OAO Integral (Minsk) at room temperature t=27°C, Rone÷R6\u003d 10.2 kOhm (R16=R17=Rtwenty=R21=R24=R25, see fig. 2), voltages on the first 28 and second 29 auxiliary two-terminal devices 4 V, voltage of the first 9 bias voltage source 5.3 V, voltage of the second (13) bias voltage source -4 V, capacitance of the correction capacitor (30) - 15 pF, voltages on the first 11 and second 15 power supply buses ±10 V.

На чертеже фиг. 5 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) ОУ фиг. 4 при комнатной температуре t = 27°С.In the drawing of FIG. 5 shows the logarithmic frequency response (LAFC) of the OA of FIG. 4 at room temperature t = 27°C.

На чертеже фиг. 6 показана схема для моделирования операционного усилителя фиг.2 при криогенных температурах (t = -197°С), R1÷R6=10 кОм (R16=R17=R20=R21=R24=R25, см. фиг. 2), напряжении первого 9 источника напряжения смещения 5 В, напряжении второго 13 источника напряжения смещения -4.51 В, емкости корректирующего конденсатора (30) – 10 пФ на моделях Si полевых транзисторах ОАО «Интеграл» (г. Минск). In the drawing of FIG. Figure 6 shows a circuit for modeling the operational amplifier of Figure 2 at cryogenic temperatures (t = -197°C), R1÷R6=10 kOhm (R16=R17=R20=R21=R24=R25, see Figure 2), voltage of the first 9 bias voltage source 5 V, the voltage of the second bias voltage source 13 is -4.51 V, the capacitance of the correction capacitor (30) is 10 pF on models of Si field-effect transistors of OAO Integral (Minsk).

На чертеже фиг. 7 представлена ЛАЧХ ОУ фиг. 6 при криогенных температурах (t = -197°С).In the drawing of FIG. 7 shows the LAFC OU of FIG. 6 at cryogenic temperatures (t = -197 ° C).

Операционный усилитель на основе двухтактного «перегнутого» каскода и комплементарных полевых транзисторов с управляющим pn–переходом фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входы устройства, токовый выход 3 устройства, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 входные полевые транзисторы, первый 8 выходной полевой транзистор, затвор которого связан с первым 9 источником напряжения смещения, сток подключен к токовому выходу 3 устройства, а исток соединен со стоком второго 5 входного полевого транзистора и через первый 10 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 11 шиной источника питания, второй 12 выходной полевой транзистор, затвор которого связан со вторым 13 источником напряжения смещения, сток подключен к токовому выходу 3 устройства, а исток соединен со стоком четвертого 7 входного полевого транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 15 шиной источника питания, затвор первого 4 входного полевого транзистора соединен с первым 1 входом устройства, а его сток согласован с первой 11 шиной источника питания, затвор второго 5 входного полевого транзистора связан со вторым 2 входом устройства, сток третьего 6 входного полевого транзистора согласован со второй 15 шиной источника питания, первый 16 и второй 17 вспомогательные резисторы. Исток первого 4 входного полевого транзистора связан с затвором третьего 6 входного полевого транзистора и через первый 16 вспомогательный резистор соединен с истоком третьего 6 входного полевого транзистора, исток второго 5 входного полевого транзистора соединен с затвором четвертого 7 входного полевого транзистора, и через второй 17 вспомогательный резистор соединен с объединенными истоками первого 6 и второго 7 входных полевых транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник 10 содержит первый 18 и второй 19 дополнительные полевые транзисторы, затворы которых подключены к первой 11 шине источника питания, стоки объединены и соединены с истоком второго 8 выходного полевого транзистора, причем исток первого 18 дополнительного полевого транзистора соединен с первой 11 шиной источника питания через первый 20 дополнительный резистор, а исток второго 19 дополнительного полевого транзистора подключен к первой 11 шине источника питания через второй 21 дополнительный резистор, второй 14 токостабилизирующий двухполюсник содержит третий 22 и четвертый 23 дополнительные полевые транзисторы, затворы которых подключены к истоку второго 12 выходного полевого транзистора, стоки объединены и подключены ко второй 15 шине источника питания, причем исток третьего 22 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком второго 12 выходного полевого транзистора через третий 24 дополнительный резистор, а исток четвертого 23 дополнительного полевого транзистора подключен к истоку второго 12 выходного полевого транзистора через четвертый 25 дополнительный резистор. An operational amplifier based on a push-pull "bent" cascode and complementary field-effect transistors with a control pn-junction Fig. 2 contains the first 1 and second 2 inputs of the device, the current output 3 of the device, the first 4, the second 5, the third 6 and the fourth 7 input field-effect transistors, the first 8 output field-effect transistor, the gate of which is connected to the first 9 bias voltage source, the drain is connected to the current output 3 of the device, and the source is connected to the drain of the second 5 input field-effect transistor and through the first 10 current-stabilizing two-pole is connected to the first 11 power supply bus, the second 12 output field-effect transistor, the gate of which is connected to the second 13 bias voltage source, the drain is connected to the current output 3 device, and the source is connected to the drain of the fourth 7 input field-effect transistor and through the second 14 current-stabilizing two-pole is connected to the second 15 power supply bus, the gate of the first 4 input field-effect transistor is connected to the first 1 input of the device, and its drain is matched to the first 11 power supply bus, the gate of the second 5 input field effect transistor is connected to the second 2 input house of the device, the drain of the third 6 input field-effect transistor is matched with the second 15 power supply bus, the first 16 and second 17 auxiliary resistors. The source of the first 4 input field-effect transistor is connected to the gate of the third 6 input field-effect transistor and through the first 16 auxiliary resistor is connected to the source of the third 6 input field-effect transistor, the source of the second 5 input field-effect transistor is connected to the gate of the fourth 7 input field-effect transistor, and through the second 17 auxiliary resistor connected to the combined sources of the first 6 and second 7 input field-effect transistors, the first current-stabilizing bipolar 10 contains the first 18 and second 19 additional field-effect transistors, the gates of which are connected to the first 11 power supply bus, the drains are combined and connected to the source of the second 8 output field-effect transistor, and the source of the first 18 additional field-effect transistor is connected to the first 11 power supply bus through the first 20 additional resistor, and the source of the second 19 additional field-effect transistor is connected to the first 11 power supply bus through the second 21 additional resistor, the second 14 current-stabilizing two-terminal contains the third 22 and fourth 23 additional field-effect transistors, the gates of which are connected to the source of the second 12 output field-effect transistor, the drains are combined and connected to the second 15 power supply bus, and the source of the third 22 additional field-effect transistor is connected to the source of the second 12 output field-effect transistor through the third 24 additional resistor, and the source of the fourth 23 additional field effect transistor is connected to the source of the second 12 output field effect transistor through the fourth 25 additional resistor.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, токовый выход 3 устройства соединен со входом буферного усилителя 26, выход которого 27 является потенциальным выходом устройства. In the drawing of FIG. 2, in accordance with paragraph 2 of the claims, the current output 3 of the device is connected to the input of the buffer amplifier 26, the output of which 27 is the potential output of the device.

Кроме этого, на чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, сток первого 4 входного полевого транзистора согласован с первой 11 шиной источника питания через первый 28 вспомогательный двухполюсник, а сток третьего 6 входного полевого транзистора согласован со второй 15 шиной источника питания через второй 29 вспомогательный двухполюсник. In addition, in the drawing of FIG. 2, in accordance with paragraph 3 of the claims, the drain of the first 4 input field-effect transistor is matched with the first 11 power supply bus through the first 28 auxiliary two-pole, and the drain of the third 6 input field-effect transistor is matched with the second 15 power supply bus through the second 29 auxiliary two-pole.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 входные полевые транзисторы, а также первый 8 и второй 12 выходные полевые транзисторы, выполнены как каскодные составные транзисторы по классическим схемам (4.1, 4.2), (5.1, 5.2), (6.1, 6.2), (7.1, 7.2), (8.1, 8.2) (12.1, 12.2).In the drawing of FIG. 3, in accordance with paragraph 4 of the claims, the first 4, second 5, third 6 and fourth 7 input field-effect transistors, as well as the first 8 and second 12 output field-effect transistors, are made as cascode compound transistors according to classical circuits (4.1, 4.2) , (5.1, 5.2), (6.1, 6.2), (7.1, 7.2), (8.1, 8.2) (12.1, 12.2).

Устойчивость ОУ фиг. 2 и фиг. 3 обеспечивается корректирующим конденсатором 30.The stability of the OS of Fig. 2 and FIG. 3 is provided by a correction capacitor 30.

Рассмотрим работу ОУ фиг. 2.Consider the operation of the op-amp of Fig. 2.

В статическом режиме, например, при подключении первого 1 и второго 2 входов ОУ фиг. 2 к общей шине источников питания, статические токи истоков первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 входных полевых транзисторов, а также первого 18, второго 19 и третьего 22 дополнительных полевых транзисторов определяются численными значениями идентичных сопротивлений первого 16 и второго 17 вспомогательных резисторов, а также первого 20, второго 21, третьего 24 и четвертого 25 дополнительных резисторов:In static mode, for example, when connecting the first 1 and second 2 inputs of the OS of Fig. 2 to a common power supply bus, the static currents of the sources of the first 4, second 5, third 6 and fourth 7 input field-effect transistors, as well as the first 18, second 19 and third 22 additional field-effect transistors are determined by the numerical values of the identical resistances of the first 16 and second 17 auxiliary resistors , as well as the first 20, second 21, third 24 and fourth 25 additional resistors:

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

где Iиi – ток истока i-го полевого транзистора;where I ii is the source current of the i-th field-effect transistor;

Uзи.i – напряжение затвор-исток соответствующих полевых транзисторов в рабочей точке при токе истока, равном I0;U z.i - gate-source voltage of the corresponding field-effect transistors at the operating point at a source current equal to I 0 ;

Ri – идентичные сопротивления соответствующих вспомогательных и дополнительных резисторов (18, 19, 22, 16, 17, 20, 21, 24, 25). R i - identical resistances of the corresponding auxiliary and additional resistors (18, 19, 22, 16, 17, 20, 21, 24, 25).

Таким образом, в схеме фиг. 2 за счет выбора одинаковыми сопротивлений первого 16 и второго 17 вспомогательных резисторов, первого 20, второго 21, третьего 24 и четвертого 25 дополнительных резисторов при идентичных стоко-затворных характеристиках третьего 6 и четвертого 7 входных полевых транзисторов, первого 18, второго 19 и третьего 22 и четвертого 23 дополнительных полевых транзисторов обеспечивается идентичный статический режим по току стока. Это является необходимым условием минимизации систематической составляющей напряжения смещения нуля Uсм операционного усилителя, так как в этом случае токовая ошибка в высокоимпедансном узле 3 (ΔI3) близка к нулю:Thus, in the diagram of Fig. 2 by choosing the same resistances of the first 16 and second 17 auxiliary resistors, the first 20, the second 21, the third 24 and the fourth 25 additional resistors with identical drain-gate characteristics of the third 6 and fourth 7 input field-effect transistors, the first 18, the second 19 and the third 22 and the fourth 23 additional field-effect transistors provide an identical static mode for the drain current. This is a necessary condition for minimizing the systematic component of the zero bias voltage Ucm of the operational amplifier, since in this case the current error in the high-impedance node 3 (ΔI 3 ) is close to zero:

Figure 00000002
(2)
Figure 00000002
(2)

где SΣ - крутизна усиления ОУ со входов 1 и 2 устройства к токовому выходу 3.where S Σ is the gain slope of the op-amp from the inputs 1 and 2 of the device to the current output 3.

Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования на чертежах фиг.4 и фиг.6, из которых следует, что систематическая составляющая напряжения смещения нуля (без учета разбросов параметров элементов) равна 26.8 мкВ (при t = 27 градусов), и 1.9 мкВ (при t = -197 градусов). Данный эффект обеспечивается за счет специального построения схемы предлагаемого ОУ. This conclusion is confirmed by the results of computer simulation in the drawings of Fig.4 and Fig.6, from which it follows that the systematic component of the zero bias voltage (without taking into account the spread of the parameters of the elements) is 26.8 μV (at t = 27 degrees), and 1.9 μV (at t = -197 degrees). This effect is provided due to the special construction of the scheme of the proposed OS.

Расширение частотного заявляемого ОУ обусловлено тем, что со входами 1 (2) устройства связан затвор только одного полевого транзистора 4 (5), т.е. эквивалентная входная емкость в заявляемой схеме ОУ в два раза меньше, чем в схеме ОУ прототипа фиг.1.The expansion of the frequency of the claimed op amp is due to the fact that the gate of only one field effect transistor 4 (5) is connected to the inputs 1 (2) of the device, i.e. the equivalent input capacitance in the proposed op-amp circuit is two times less than in the op-amp circuit of the prototype of Fig.1.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ОУ-прототипом, что позволяет рекомендовать его для практического использования в аналоговых интерфейсах, содержащих, например, полевые транзисторы с управляющим pn- переходом или КМОП транзисторы со встроенным каналом, которые имеют похожие вольт-амперные характеристики в сравнении с JFET. Thus, the claimed device has significant advantages in comparison with the op-amp prototype, which allows us to recommend it for practical use in analog interfaces containing, for example, field-effect transistors with a control pn-junction or CMOS transistors with a built-in channel, which have similar current-voltage performance compared to JFET.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК REFERENCES

1. Патент US 2005/0128000, fig.1, 2005 г.1. Patent US 2005/0128000, fig.1, 2005

2. Патент US 4.600.893, fig.3, 1986 г.2. Patent US 4.600.893, fig.3, 1986

3. Патент US 4.284.959, fig.3, 1981 г.3. Patent US 4.284.959, fig.3, 1981

4. Патент US 4783637, fig.2, 1988 г.4. Patent US 4783637, fig.2, 1988

5. Патент US 5.729.177, fig.1, 1988 г.5. Patent US 5.729.177, fig.1, 1988

6. Патент RU 2331966, fig.1, 2008 г.6. Patent RU 2331966, fig.1, 2008

7. Патент RU 2517699, fig.1, 2012 г.7. Patent RU 2517699, fig.1, 2012

8. Патент US 4.837.523, fig.4, 1989 г.8. Patent US 4.837.523, fig.4, 1989

9. Патент RU 2193273, fig.1, 2002 г.9. Patent RU 2193273, fig.1, 2002

10. Патент US 3569848, fig.8, 1971 г.10. Patent US 3569848, fig.8, 1971

11. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика / Под редакцией канд. техн. наук В. И. Эннса. – М.: Горячая линия–Телеком. – 2005. – С. 207, fig. 3.81.11. Enns V.I., Kobzev Yu.M. Design of analog CMOS microcircuits. Developer's Quick Reference Guide / Edited by Ph.D. tech. Sciences V. I. Enns. - M.: Hotline-Telecom. – 2005. – P. 207, fig. 3.81.

Claims (4)

1. Операционный усилитель на основе двухтактного «перегнутого» каскода и комплементарных полевых транзисторов с управляющим pn–переходом, содержащий первый (1) и второй (2) входы устройства, токовый выход (3) устройства, первый (4), второй (5), третий (6) и четвертый (7) входные полевые транзисторы, первый (8) выходной полевой транзистор, затвор которого связан с первым (9) источником напряжения смещения, сток подключен к токовому выходу (3) устройства, а исток соединен со стоком второго (5) входного полевого транзистора и через первый (10) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (11) шиной источника питания, второй (12) выходной полевой транзистор, затвор которого связан со вторым (13) источником напряжения смещения, сток подключен к токовому выходу (3) устройства, а исток соединен со стоком четвертого (7) входного полевого транзистора и через второй (14) токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй (15) шиной источника питания, затвор первого (4) входного полевого транзистора соединен с первым (1) входом устройства, а его сток связан с первой (11) шиной источника питания, затвор второго (5) входного полевого транзистора связан со вторым (2) входом устройства, сток третьего (6) входного полевого транзистора согласован со второй (15) шиной источника питания, первый (16) и второй (17) вспомогательные резисторы, отличающийся тем, что исток первого (4) входного полевого транзистора связан с затвором третьего (6) входного полевого транзистора и через первый (16) вспомогательный резистор соединен с истоком третьего (6) входного полевого транзистора, исток второго (5) входного полевого транзистора соединен с затвором четвертого (7) входного полевого транзистора и через второй (17) вспомогательный резистор соединен с объединенными истоками первого (6) и второго (7) входных полевых транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник (10) содержит первый (18) и второй (19) дополнительные полевые транзисторы, затворы которых подключены к первой (11) шине источника питания, стоки объединены и соединены с истоком второго (8) выходного полевого транзистора, причем исток первого (18) дополнительного полевого транзистора соединен с первой (11) шиной источника питания через первый (20) дополнительный резистор, а исток второго (19) дополнительного полевого транзистора подключен к первой (11) шине источника питания через второй (21) дополнительный резистор, второй (14) токостабилизирующий двухполюсник содержит третий (22) и четвертый (23) дополнительные полевые транзисторы, затворы которых подключены к истоку второго (12) выходного полевого транзистора, стоки объединены и подключены ко второй (15) шине источника питания, причем исток третьего (22) дополнительного полевого транзистора соединен с истоком второго (12) выходного полевого транзистора через третий (24) дополнительный резистор, а исток четвертого (23) дополнительного полевого транзистора подключен к истоку второго (12) выходного полевого транзистора через четвертый (25) дополнительный резистор. 1. Operational amplifier based on a push-pull "kinked" cascode and complementary field-effect transistors with a control pn-junction, containing the first (1) and second (2) inputs of the device, the current output (3) of the device, the first (4), the second (5) , third (6) and fourth (7) input field-effect transistors, the first (8) output field-effect transistor, the gate of which is connected to the first (9) source of bias voltage, the drain is connected to the current output (3) of the device, and the source is connected to the drain of the second (5) input field effect transistor and through the first (10) current-stabilizing two-terminal connected to the first (11) power supply bus, the second (12) output field effect transistor, the gate of which is connected to the second (13) bias voltage source, the drain is connected to the current output ( 3) device, and the source is connected to the drain of the fourth (7) input field-effect transistor and through the second (14) current-stabilizing two-pole connected to the second (15) power supply bus, the gate of the first (4) input field-effect transistor transistor is connected to the first (1) input of the device, and its drain is connected to the first (11) power supply bus, the gate of the second (5) input field-effect transistor is connected to the second (2) input of the device, the drain of the third (6) input field-effect transistor is matched with second (15) power supply bus, first (16) and second (17) auxiliary resistors, characterized in that the source of the first (4) input FET is connected to the gate of the third (6) input FET and through the first (16) auxiliary resistor is connected to the source of the third (6) input FET, the source of the second (5) input FET is connected to the gate of the fourth ( 7) input field effect transistor and through the second (17) auxiliary resistor is connected to the combined sources of the first (6) and second (7) input field effect transistors, the first current-stabilizing bipolar (10) contains the first (18) and second (19) additional field effect transistors, the gates of which are connected to the first (11) power supply bus, the drains are combined and connected to the source of the second (8) output field-effect transistor, and the source of the first (18) additional field-effect transistor is connected to the first (11) power supply bus through the first (20) additional resistor, and the source of the second (19) additional field effect transistor is connected to the first (11) power supply bus through the second (21) an additional resistor, the second (14) current-stabilizing two-pole contains the third (22) and fourth (23) additional field-effect transistors, the gates of which are connected to the source of the second (12) output field-effect transistor, the drains are combined and connected to the second (15) source bus supply, and the source of the third (22) additional field effect transistor is connected to the source of the second (12) output field effect transistor through the third (24) additional resistor, and the source of the fourth (23) additional field effect transistor is connected to the source of the second (12) output field effect transistor through the fourth (25) additional resistor. 2. Операционный усилитель на основе двухтактного «перегнутого» каскода и комплементарных полевых транзисторов с управляющим pn–переходом по п.1, отличающийся тем что, токовый выход (3) устройства соединен с входом буферного усилителя (26), выход которого (27) является потенциальным выходом устройства. 2. An operational amplifier based on a push-pull "kinked" cascode and complementary field-effect transistors with a control pn-junction according to claim 1, characterized in that the current output (3) of the device is connected to the input of a buffer amplifier (26), the output of which (27) is potential output of the device. 3. Операционный усилитель на основе двухтактного «перегнутого» каскода и комплементарных полевых транзисторов с управляющим pn–переходом по п.1, отличающийся тем, что сток первого (4) входного полевого транзистора связан с первой (11) шиной источника питания через первый (28) вспомогательный двухполюсник, а сток третьего (6) входного полевого транзистора связан со второй (15) шиной источника питания через второй (29) вспомогательный двухполюсник. 3. An operational amplifier based on a push-pull "bent" cascode and complementary field-effect transistors with a control pn-junction according to claim 1, characterized in that the drain of the first (4) input field-effect transistor is connected to the first (11) power supply bus through the first (28 ) auxiliary two-pole, and the drain of the third (6) input field-effect transistor is connected to the second (15) power supply bus through the second (29) auxiliary two-terminal. 4. Операционный усилитель на основе двухтактного «перегнутого» каскода и комплементарных полевых транзисторов с управляющим pn–переходом по п.1, отличающийся тем, что первый (4), второй (5), третий (6) и четвертый (7) входные полевые транзисторы, а также первый 8 и второй 12 выходные полевые транзисторы выполнены как каскодные составные транзисторы (4.1, 4.2), (5.1, 5.2), (6.1, 6.2), (7.1, 7.2), (8.1, 8.2) (12.1, 12.2).4. An operational amplifier based on a push-pull "bent" cascode and complementary field-effect transistors with a control pn-junction according to claim 1, characterized in that the first (4), second (5), third (6) and fourth (7) input field transistors, as well as the first 8 and second 12 output field-effect transistors are made as cascode composite transistors (4.1, 4.2), (5.1, 5.2), (6.1, 6.2), (7.1, 7.2), (8.1, 8.2) (12.1, 12.2 ).
RU2022102927A 2022-02-08 Operational amplifier based on two-stroke "inverse" cascode and complementary fet-steristors with control pn-junction RU2780220C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2780220C1 true RU2780220C1 (en) 2022-09-21

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820341C1 (en) * 2023-12-26 2024-06-03 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Gallium arsenide operational amplifier based on "bent" cascode

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4600893A (en) * 1983-10-24 1986-07-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Differential amplifier with improved dynamic range
RU2592455C1 (en) * 2015-07-06 2016-07-20 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Bipolar-field operational amplifier on basis of "bent" cascode
RU2592429C1 (en) * 2015-07-01 2016-07-20 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Bipolar-field operational amplifier on basis of "bent" cascode
RU2604684C1 (en) * 2015-07-02 2016-12-10 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Bipolar-field operational amplifier based on "bent" cascade

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4600893A (en) * 1983-10-24 1986-07-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Differential amplifier with improved dynamic range
RU2592429C1 (en) * 2015-07-01 2016-07-20 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Bipolar-field operational amplifier on basis of "bent" cascode
RU2604684C1 (en) * 2015-07-02 2016-12-10 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Bipolar-field operational amplifier based on "bent" cascade
RU2592455C1 (en) * 2015-07-06 2016-07-20 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Bipolar-field operational amplifier on basis of "bent" cascode

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820341C1 (en) * 2023-12-26 2024-06-03 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Gallium arsenide operational amplifier based on "bent" cascode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Motamed et al. A low-voltage low-power wide-range CMOS variable gain amplifier
Blalock et al. Designing 1-V op amps using standard digital CMOS technology
US8766611B2 (en) Reference voltage generation circuit and method
US10528197B2 (en) Current conveyor circuit, corresponding device, apparatus and method
RU2741056C1 (en) Radiation-resistant and low-temperature operational amplifier on complementary field-effect transistors
Nagar et al. Single OTRA based two quadrant analog voltage divider
RU2780220C1 (en) Operational amplifier based on two-stroke "inverse" cascode and complementary fet-steristors with control pn-junction
RU2346388C1 (en) Differential amplifier
Dvornikov et al. High-Speed Broadband Operational Amplifiers on a Master Slice Array
RU2741055C1 (en) Operational amplifier with "floating" input differential cascade on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2710846C1 (en) Composite transistor based on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2310268C1 (en) Low-voltage powered cascade differential amplifier
Handkiewicz et al. Over rail-to-rail fully differential voltage-to-current converters for nm scale CMOS technology
RU2621289C1 (en) Two-stage differential operational amplifier with higher gain
RU2687161C1 (en) Buffer amplifier for operation at low temperatures
Embabi et al. A current-mode based field-programmable analog array for signal processing applications
RU2812914C1 (en) Low offset gallium arsenide op amp
RU2433523C1 (en) Precision differential operational amplifier
RU2770912C1 (en) Differential amplifier on arsenide-gallium field-effect transistors
RU2441316C1 (en) Differential amplifier with low supply voltage
RU2319288C1 (en) Differential amplifier using low-voltage power supply
RU2293433C1 (en) Differential amplifier with increased weakening of input cophased signal
RU2792710C1 (en) Multichannel differential amplifier based on gallium arsenide field-effect and bipolar transistors
RU2770915C1 (en) Differential amplifier with increased slope on field-effect transistors
GB2193059A (en) Voltage follower circuit