RU2784045C1 - Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля - Google Patents

Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля Download PDF

Info

Publication number
RU2784045C1
RU2784045C1 RU2022119503A RU2022119503A RU2784045C1 RU 2784045 C1 RU2784045 C1 RU 2784045C1 RU 2022119503 A RU2022119503 A RU 2022119503A RU 2022119503 A RU2022119503 A RU 2022119503A RU 2784045 C1 RU2784045 C1 RU 2784045C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
field
source
input
effect transistor
Prior art date
Application number
RU2022119503A
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Алексей Андреевич Жук
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 RU2784045C1 publication Critical patent/RU2784045C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: уменьшение систематической составляющей напряжения смещения нуля истокового повторителя с единиц вольт до уровня единиц микровольт. Для этого предложен истоковый повторитель, который содержит вход (1) и выход (2) устройства, входной полевой транзистор (3), сток которого соединен с первой (4) шиной источника питания, затвор подключен ко входу (1) устройства, а исток связан с выходом (2) устройства, выходной полевой транзистор (5), исток которого связан со второй (6) шиной источника питания, а сток подключен к выходу устройства (2). Исток входного полевого транзистора (3) связан с выходом устройства (2) через первый (7) прямосмещенный p-n-переход, а исток выходного полевого транзистора (5) связан со второй (6) шиной источника питания через второй (8) прямосмещенный p-n-переход, причем затвор выходного полевого транзистора (5) соединен со второй (6) шиной источника питания. 6 з.п. ф-лы, 17 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в различных аналоговых устройствах в качестве повторителя сигнала с высоким входным сопротивлением и малой статической ошибкой.
Базовым узлом современных аналоговых устройств является истоковый повторитель напряжения (ИПН), который известен также как схема с общим стоком. Данная структура [1-37] широко используется как в аналоговых (класс H03F), так и в цифровых (класс H03K) устройствах. В последнем случае ИПН выполняет функции драйвера - каскада управления линиями связи или согласующей цепи.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический истоковый повторитель напряжения, описанный в патентах US 7.304.540, fig. 1, 2007 г. и US 6.154.580, fig. 4, 2000 г. Он содержит вход 1 и выход 2 устройства, входной полевой транзистор 3, сток которого соединен с первой 4 шиной источника питания, затвор подключен ко входу 1 устройства, а исток связан с выходом 2 устройства, выходной полевой транзистор 5, исток которого связан со второй 6 шиной источника питания, а сток подключен к выходу устройства 2.
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что его напряжение смещения нуля определяется напряжением затвор-исток входного полевого транзистора 3, которое лежит в пределах от 0,5 до 2 В и существенно зависит от его статического тока и конструкции.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в уменьшении систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм) истокового повторителя с единиц вольт до уровня единиц микровольт.
Поставленная задача достигается тем, что в повторителе напряжения фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, входной полевой транзистор 3, сток которого соединен с первой 4 шиной источника питания, затвор подключен ко входу 1 устройства, а исток связан с выходом 2 устройства, выходной полевой транзистор 5, исток которого связан со второй 6 шиной источника питания, а сток подключен к выходу устройства 2, предусмотрены новые элементы и связи – исток входного полевого транзистора 3 связан с выходом устройства 2 через первый 7 прямосмещенный p-n-переход, а исток выходного полевого транзистора 5 связан со второй 6 шиной источника питания через второй 8 прямосмещенный p-n-переход, причем затвор выходного полевого транзистора 5 соединен со второй 6 шиной источника питания.
На чертеже фиг. 1 показан истоковый повторитель напряжения – прототип по патенту US 7.304.540, fig. 1, 2007 г. Кроме этого, данная схема присутствует в патенте US 6.154.580, fig. 4, 2000 г.
На чертеже фиг. 2 представлен заявляемый истоковый повторитель напряжения в соответствии с п. 1 и п.2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведен истоковый повторитель напряжения в соответствии с п. 3 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 4 показан истоковый повторитель напряжения в соответствии с п. 4 формулы изобретения для случая, когда в качестве прямосмещенных p-n-переходов 7 и 8 используются биполярные p-n-p-транзисторы, а входной 3 и выходной 5 полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом имеют n-канал.
На чертеже фиг. 5 представлен истоковый повторитель напряжения в соответствии с п. 4 формулы изобретения для случая, когда в качестве прямосмещенных p-n-переходов 7 и 8 используются биполярные n-p-n-транзисторы, а входной 3 и выходной 5 полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом имеют n-канал.
На чертеже фиг. 6 приведен истоковый повторитель напряжения в соответствии с п. 5 формулы изобретения для случая, когда в качестве полевых транзисторов 3 и 5 используются JFET полевые транзисторы p-каналом.
На чертеже фиг. 7 показан истоковый повторитель напряжения в соответствии с п. 5 формулы изобретения для случая, когда в качестве полевых транзисторов 3 и 5 используются JFET полевые транзисторы p-каналом, а прямосмещенные p-n-переходы 7 и 8 реализованы на n-p-n биполярных транзисторах.
На чертеже фиг. 8 представлен двухтактный истоковый повторитель напряжения на JFET комплементарных входных транзисторах (3 и 9, а также 5 и 11) в соответствии с п. 6 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 9 приведен двухтактный истоковый повторитель напряжения на JFET комплементарных входных транзисторах (3 и 9, а также 5 и 11) в соответствии с п. 7 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 10 показана схема для моделирования JFet-n-p-n истокового повторителя напряжения, соответствующего фиг. 5, в среде LTspice при t=27oC, +Vcc=-Vee=5 В, Rload=1 МОм.
На чертеже фиг. 11 представлена зависимость систематической составляющей напряжения смещения нуля JFet-n-p-n истокового повторителя напряжения фиг. 10 от температуры при +Vcc=-Vee=5 В, Rload=1 МОм.
На чертеже фиг. 12 приведена схема для моделирования Si JFet-p-n-p истокового повторителя напряжения, соответствующего фиг. 4, в среде LTspice при t=27oC, +Vcc=-Vee=5 В, Rload=1 МОм.
На чертеже фиг. 13 показана зависимость систематической составляющей напряжения смещения нуля Si JFet-p-n-p истокового повторителя напряжения фиг. 12 от температуры при +Vcc=-Vee=5 В, Rload=1 МОм.
На чертеже фиг. 14 представлена амплитудная характеристика кремниевого JFet-p-n-p истокового повторителя напряжения фиг. 12 в среде LTspice при t=27oC, +Vcc=-Vee=5 В, Rload= 5 кОм/ 10 кОм/1 МОм.
На чертеже фиг. 15 приведена схема для моделирования Si повторителя напряжения, соответствующего фиг. 9, в среде LTspice при t=27oC, +Vcc=-Vee=5 В, Rload=1 МОм, R1=R2=100 Ом.
На чертеже фиг. 16 показана зависимость систематической составляющей напряжения смещения нуля кремниевого повторителя напряжения фиг. 15 от температуры при +Vcc=-Vee=5 В, Rload=1 МОм.
На чертеже фиг. 17 представлена амплитудная характеристика кремниевого повторителя напряжения фиг. 15 в среде LTspice при t=27oC, +Vcc=-Vee=5 В, Rload= 5 кОм/ 10 кОм/1 МОм.
Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, входной полевой транзистор 3, сток которого соединен с первой 4 шиной источника питания, затвор подключен ко входу 1 устройства, а исток связан с выходом 2 устройства, выходной полевой транзистор 5, исток которого связан со второй 6 шиной источника питания, а сток подключен к выходу устройства 2. Исток входного полевого транзистора 3 связан с выходом устройства 2 через первый 7 прямосмещенный p-n-переход, а исток выходного полевого транзистора 5 связан со второй 6 шиной источника питания через второй 8 прямосмещенный p-n-переход, причем затвор выходного полевого транзистора 5 соединен со второй 6 шиной источника питания.
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, в качестве входного 3 и выходного 5 полевых транзисторов используются КМОП полевые транзисторы с индуцированным каналом.
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, в качестве входного 3 и выходного 5 полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом.
На чертежах фиг. 4 и фиг. 5, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, входной 3 и выходной 5 полевые транзисторы имеют n-канал.
На чертежах фиг. 6 и фиг. 7, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, входной 3 и выходной 5 полевые транзисторы имеют p-канал.
На чертеже фиг. 8, в соответствии с п. 6 формулы изобретения, ко входу устройства 1 подключен затвор дополнительного входного полевого транзистора 9 с p-каналом, сток которого соединен со второй 6 шиной источника питания, а исток соединен через третий 10 прямосмещенный p-n-переход со стоком дополнительного выходного полевого транзистора 11 с p-каналом, причем исток дополнительного выходного полевого транзистора 11 с p-каналом связан с первой 4 шиной источника питания через четвертый 12 прямосмещенный p-n-переход, кроме этого сток дополнительного выходного полевого транзистора 11 с p-каналом связан с выходом устройства 2.
На чертеже фиг. 9, в соответствии с п. 7 формулы изобретения, сток выходного полевого транзистора 5 с n-каналом связан с выходом устройства 2 через первый 13 дополнительный резистор, а сток дополнительного выходного полевого транзистора 11 с p-каналом связан с выходом устройства 2 через второй 14 дополнительный резистор.
Рассмотрим работу ИПН на чертеже фиг. 3.
На основании второго закона Кирхгофа для схемы фиг. 3 (фиг. 2) можно составить следующее уравнение для выходного напряжения ИПН
Figure 00000001
где Uзи.3 – напряжение затвор-исток входного полевого транзистора 3 при токе стока, равно I0;
U7 – напряжение на первом 7 прямосмещенном p-n-переходе.
Ток I0 через первый 7 прямосмещенный p-n-переход определяется током через второй 8 прямосмещенный p-n-переход, который идентичен первому 7 прямосмещенному p-n-переходу. Поэтому
Uэ = U8 = Uзи.5 = Uзи.3.
Таким образом, при отсутствии входного сигнала систематическая составляющая напряжения смещения нуля ИПН фиг. 3
Figure 00000002
Для схемы фиг. 4, в которой первый 7 и второй 8 прямосмещенные p-n-переходы выполнены на p-n-p-транзисторах, также справедливо уравнение (2).
Если входной полевой транзистор 3 имеет p-канал (фиг. 6, фиг. 7), то и в этом случае выполняется условие (2).
Выходное сопротивление предлагаемого ИПН на чертеже фиг. 3 определяется формулой
Figure 00000003
где S1 – крутизна стоко-затворной характеристики входного полевого транзистора 3;
Figure 00000004
мВ – температурный потенциал;
I0 – статический ток истока входного полевого транзистора 3.
Двухтактная структура ИПН, работающая в режиме класса АВ, реализуется в соответствии с чертежами фиг. 8 и фиг. 9.
Компьютерное моделирование ИПН фиг. 10 и фиг. 12 показывает, что Uсм рассматриваемых ИПН измеряется микровольтами. При этом амплитудная характеристика ИПН, представленная на чертеже фиг. 4, соответствует работе схемы в режиме класса АВ.
Исследования двухтактного ИПН на чертеже фиг. 15, представленные на чертежах фиг. 16 и фиг. 17, показывают, что данное схемотехническое решение имеет симметричную амплитудную характеристику (фиг. 17). При этом максимальные выходные токи в схеме ИПН на чертеже фиг. 15 могут быть увеличены за счет параллельного включения нескольких входных полевых транзисторов или изменения ширины их каналов.
Таким образом, выше показано, что в заявляемой схеме истокового повторителя создаются условия для существенного уменьшения систематической составляющей напряжения смещения нуля, что обусловлено ее балансной структурой и эффектами взаимной компенсации.
Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования показывают, что в заявляемой схеме истокового повторителя решена одна из проблем современной аналоговой микросхемотехники – минимизация напряжения смещения нуля.
Таким образом, заявляемое устройство в сравнении с прототипом имеет существенные преимущества по уровню систематической составляющей напряжения смещения нуля.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 5351012, 1994 г. (в схеме fig. 6 – полевой транзистор 14 и источник опорного тока 26).
2. Патент US 7764123, 2010 г. (в схеме fig. 3 – полевой транзистор N1 и источник опорного тока CS2).
3. Патент US 5973534, 1999 г. (в схеме fig. 1b – полевой транзистор 120 и источник опорного тока на транзисторах 122 и 124).
4. Патент US 6215357, 2001 г. (в схеме fig. 3 – полевой транзистор М5, источник опорного тока на транзисторе М4).
5. Патент RU 2536672, 2014 г. (в схемах fig. 3 и fig. 4 – входной биполярный транзистор, токовое зеркало 8 и выходной транзистор 1).
6. Заявка на патент US 2005/0275453, 2005 г. (в схеме fig. 1 – полевой транзистор MN1, источник опорного тока 14).
7. Патент US 6573784, 2003 г. (в схеме fig. 4 – полевой транзистор 414, источник опорного тока 452).
8. RU 2530263 C1, 2014 г.
9. Авт. свидетельство SU 1 059 665, 1981 г. (в схеме фиг. 1 – входной полевой транзистор 1, источник опорного тока 3).
10. Заявка на патент US 2004/0227573, 2004 г. (в схеме fig. 4 – полевой транзистор 2, источник опорного тока 4).
11. Патент US 4806877, 1989 г. (в схеме fig. 3 – полевой транзистор TR0, источник опорного тока J0).
12. Патент EP 0 648 010, 1994 г. (в схеме fig. 4 – полевой транзистор T1, источник опорного тока 32).
13. Заявка на патент US 2010/0013562, 2010 г. (в схеме fig. 1 – полевой транзистор 150, источник опорного тока 185).
14. Патент US 7847590, 2010 г. (в схеме fig. 5 – полевой транзистор 523, источник опорного тока 521).
15. Патент US 7.898.339, fig.4, 2011 г.
16. Патент US 6.727.729 fig.5B, 2004 г.
17. Патент US 7.733.182 fig.1, 2010 г.
18. Патент US 6.043.690 fig.1, fig.2, 2000 г.
19. Патент US 3.678.402 fig.2, fig.7, 1972 г.
20. Патент US 5.469.085 fig.2, 1995 г.
21. Патент US 4.492.932 fig.4a, 1985 г.
22. Патент US 4.092.701, 1978 г.
23. Патент US 4.698.526 fig.2, 1987 г.
24. Патент US 6.469.562 fig.A, fig.2A, 2002 г.
25. Патент US 6.154.580, fig.4, 2000 г.
26. Патент US 7.304.540, fig.1, fig.2, 2007 г.
27. Патент US 7.944.303, fig.1, 2011 г.
28. Патент US 8.148.962, fig.2, 2012 г.
29. Патент US 5.045.808, 1991 г.
30. Патент US 4.101.788, fig.2, 1978 г.
31. Патент US 3.436.672, fig.1, 1969 г.
32. Патент US 4.168.471, fig.1, 1979 г.
33. Патент US 5.365.199, fig.2, 1994 г.
34. Патент US 5.666.070, 1997 г.
35. 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. – 454 с.: ил. (рис. 3.54а, стр. 183).
36. Singh R., Mehra R. Design A Darlington Amplifier with Improved Gain and Slew Rate //International Journal of Electronics and Communication Technology. – 2017. – Т. 8. – №. 4. – С. 13-16. (Fig. 3, Fig. 4).
37. D. Danyuk, «JFET Follower Amplifier Cancels Distortion» URL: https://www.radiolocman.com/shem/schematics.html?di=606611 (в схеме fig. 1 - полевой транзистор Q1, источник опорного тока на биполярным транзисторе Q2).

Claims (7)

1. Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, входной полевой транзистор (3), сток которого соединен с первой (4) шиной источника питания, затвор подключен ко входу (1) устройства, а исток связан с выходом (2) устройства, выходной полевой транзистор (5), исток которого связан со второй (6) шиной источника питания, а сток подключен к выходу устройства (2), отличающийся тем, что исток входного полевого транзистора (3) связан с выходом устройства (2) через первый (7) прямосмещенный p-n-переход, а исток выходного полевого транзистора (5) связан со второй (6) шиной источника питания через второй (8) прямосмещенный p-n-переход, причем затвор выходного полевого транзистора (5) соединен со второй (6) шиной источника питания.
2. Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля по п.1, отличающийся тем, что в качестве входного (3) и выходного (5) полевых транзисторов используются КМОП полевые транзисторы с индуцированным каналом.
3. Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля по п.1, отличающийся тем, что в качестве входного (3) и выходного (5) полевых транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом.
4. Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля по п.3, отличающийся тем, что входной (3) и выходной (5) полевые транзисторы имеют n-канал.
5. Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля по п.3, отличающийся тем, что входной (3) и выходной (5) полевые транзисторы имеют p-канал.
6. Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля по п.4, отличающийся тем, что ко входу устройства (1) подключен затвор дополнительного входного полевого транзистора (9) с p-каналом, сток которого соединен со второй (6) шиной источника питания, а исток соединен через третий (10) прямосмещенный p-n-переход со стоком дополнительного выходного полевого транзистора (11) с p-каналом, причем исток дополнительного выходного полевого транзистора (11) с p-каналом связан с первой (4) шиной источника питания через четвертый (12) прямосмещенный p-n-переход, кроме этого сток дополнительного выходного полевого транзистора (11) с p-каналом связан с выходом устройства (2).
7. Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля по п.6, отличающийся тем, что сток выходного полевого транзистора (5) с n-каналом связан с выходом устройства (2) через первый (13) дополнительный резистор, а сток дополнительного выходного полевого транзистора (11) с p-каналом связан с выходом устройства (2) через второй (14) дополнительный резистор.
RU2022119503A 2022-07-17 Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля RU2784045C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2784045C1 true RU2784045C1 (ru) 2022-11-23

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4430586A (en) * 1980-05-14 1984-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Switch with an MIS-FET operated as a source follower
US6924674B2 (en) * 2003-10-27 2005-08-02 Agere Systems Inc. Composite source follower
US7304540B2 (en) * 2004-12-16 2007-12-04 Realtek Semiconductor Corp. Source follower and current feedback circuit thereof
RU2530263C1 (ru) * 2013-05-27 2014-10-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Быстродействующий истоковый повторитель напряжения

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4430586A (en) * 1980-05-14 1984-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Switch with an MIS-FET operated as a source follower
US6924674B2 (en) * 2003-10-27 2005-08-02 Agere Systems Inc. Composite source follower
US7304540B2 (en) * 2004-12-16 2007-12-04 Realtek Semiconductor Corp. Source follower and current feedback circuit thereof
RU2530263C1 (ru) * 2013-05-27 2014-10-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Быстродействующий истоковый повторитель напряжения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0276670B1 (en) High-speed supply independent level shifter
US4554515A (en) CMOS Operational amplifier
KR890004647B1 (ko) 정전류원회로 및 이 회로를 사용한 차동증폭기
KR0139546B1 (ko) 연산 증폭기 회로
EP1279223B1 (en) Boosted high gain, very wide common mode range, self-biased operational amplifier
US7453318B2 (en) Operational amplifier for outputting high voltage output signal
US5835994A (en) Cascode current mirror with increased output voltage swing
KR960003068A (ko) 적응 바이어스 차동 쌍을 이용한 모스(mos)작동 트랜스컨덕턴스 증폭기
WO2000020942A1 (en) Current mirror utilizing amplifier to match operating voltages of input and output transconductance devices
KR0177511B1 (ko) 선형 cmos 출력단
US5801523A (en) Circuit and method of providing a constant current
KR20020035324A (ko) 차동 증폭기
SE7601729L (sv) Differentialforsterkare
KR0142571B1 (ko) 반도체회로 및 그것을 사용한 신호처리 시스템
RU2784045C1 (ru) Истоковый повторитель напряжения с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля
US6653894B2 (en) Integrated current mirror in output stage of operational amplifier
US20210234514A1 (en) Circuits and methods to reduce distortion in an amplifier
RU2624585C1 (ru) Низкотемпературный радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель
RU2710846C1 (ru) Составной транзистор на основе комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом
JPH07249946A (ja) Ａｂ級プッシュプル駆動回路、その駆動方法及びこれを用いたａｂ級電子回路
JP2023505464A (ja) マルチチャネルマルチプレクサ
RU2780220C1 (ru) Операционный усилитель на основе двухтактного "перегнутого" каскода и комплементарных полевых транзисторов с управляющим pn-переходом
RU2770915C1 (ru) Дифференциальный усилитель с повышенной крутизной на полевых транзисторах
US4590438A (en) Bipolar transistor circuit with FET constant current source
RU2770912C1 (ru) Дифференциальный усилитель на арсенид-галлиевых полевых транзисторах