RU2784046C1 - Арсенид-галлиевый буферный усилитель - Google Patents
Арсенид-галлиевый буферный усилитель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784046C1 RU2784046C1 RU2022122037A RU2022122037A RU2784046C1 RU 2784046 C1 RU2784046 C1 RU 2784046C1 RU 2022122037 A RU2022122037 A RU 2022122037A RU 2022122037 A RU2022122037 A RU 2022122037A RU 2784046 C1 RU2784046 C1 RU 2784046C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- bipolar
- bipolar transistor
- transistors
- transistor
- Prior art date
Links
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 title 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 5
- 230000003068 static Effects 0.000 abstract description 4
- 230000002457 bidirectional Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области микроэлектроники. Технический результат: создание двухтактного буферного усилителя, реализуемого на JFET арсенид-галлиевых полевых транзисторах с управляющим p-n переходом и биполярных GaAs p-n-p транзисторах, который имеет малый статический ток потребления и обеспечивает в относительно низкоомной нагрузке токи двух направлений. Для этого предложен арсенид-галлиевый буферный усилитель, который содержит вход (1) и выход (2) устройства, входной полевой транзистор (3), первую (4) шину источника питания, выходной биполярный транзистор (5), вторую (6) шину источника питания, первый (7) токостаблизирующий двухполюсник. В схему введены первый (8) и второй (9) биполярные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу (2) устройства и коллектору первого (8) биполярного транзистора, эмиттеры первого (8) и второго (9) биполярных транзисторов подключены к истоку входного полевого транзистора (3), а коллектор второго (9) биполярного транзистора связан с базой выходного биполярного транзистора (5). 6 ил.
Description
Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в качестве выходного каскада различных аналоговых устройств, в т.ч. допускающих работу в условиях воздействия проникающей радиации, низких и высоких температур.
Известно значительное количество схем выходных каскадов и буферных усилителей (БУ) аналоговых микроэлектронных изделий, которые реализуются на биполярных (BJT) и полевых (JFet, КМОП, КНИ, КНС и др.) транзисторах, а также при их совместном включении [1-25].
Во многих применениях схема БУ адаптируется под конкретные технологические процессы и внешние воздействующие факторы, т.к. только в этом случае обеспечивается реализациях предельных параметров БУ.
В настоящее время в российской и зарубежной микроэлектронике уделяется повышенное внимание арсенид-галлиевым микросхемам. Данное направление создания электронной компонентной базы относится к числу наиболее перспективных в задачах космического приборостроения. Однако, особенности арсенид-галлиевых технологических процессов накладывают существенные ограничения на типы реализуемых транзисторов и их характеристики. Так, например, арсенид-галлиевый технологический процесс, предлагаемый фирмами США [26-29], а также Минским научно-исследовательским институтом радиоматериалов (https://mniirm.by/), ориентирован на изготовление аналоговых схем, содержащих только полевые GaAs транзисторы с управляющим p-n переходом и биполярные GaAs p-n-p транзисторы. Применение других полупроводниковых приборов не допускается. Это накладывает существенные ограничения на схемотехнику аналоговых устройств, ориентированных на данный технологический процесс.
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является буферный усилитель, представленный в патенте US 4.492.932, fig. 3, 1985 г. Он содержит вход 1 и выход 2 устройства, входной полевой транзистор 3, затвор которого соединен с входом 1 устройства, сток связан с первой 4 шиной источника питания, выходной биполярный транзистор 5, эмиттер которого соединен с выходом 2 устройства, коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, а база связана со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостаблизирующий двухполюсник.
Существенный недостаток БУ – прототипа состоит в том, что он не может обеспечить в относительно низкоомной нагрузке Rн токи двух направлений, т.е. он не работает в двухтактном режиме класса АВ.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании двухтактного буферного усилителя, реализуемого на JFET арсенид-галлиевых полевых транзисторах с управляющим p-n переходом и биполярных GaAs p-n-p транзисторах, который имеет малый статический ток потребления и обеспечивает в относительно низкоомной нагрузке токи двух направлений.
Поставленная задача достигается тем, что в буферном усилителе фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, входной полевой транзистор 3, затвор которого соединен с входом 1 устройства, сток связан с первой 4 шиной источника питания, выходной биполярный транзистор 5, эмиттер которого соединен с выходом 2 устройства, коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, а база связана со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостаблизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 8 и второй 9 биполярные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 2 устройства и коллектору первого 8 биполярного транзистора, эмиттеры первого 8 и второго 9 биполярных транзисторов подключены к истоку входного полевого транзистора 3, а коллектор второго 9 биполярного транзистора связан с базой выходного биполярного транзистора 5.
На чертеже фиг. 1 показана схема буферного усилителя – прототипа.
На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого буферного усилителя в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена схема для моделирования GaAs БУ фиг. 2 в среде LTspice при t=27 oC, +Vcc=-Vee=10 В, I1=100 мкА, Rload=1 МОм, параметрах ширины и длины канала VT1: 10u/ 0.2u.
На чертеже фиг. 4 показана амплитудная характеристика БУ фиг. 3 в среде LTspice.
На чертеже фиг. 5 представлена схема для моделирования GaAs БУ фиг. 2 в среде LTspice при t=27oC, +Vcc=-Vee=10 В, I1=100 мкА, Rload=1 МОм, параметрах ширины и длины канала VT1: 100u/ 0.2u.
На чертеже фиг. 6 приведена амплитудная характеристика БУ фиг. 5 в среде LTspice.
Арсенид-галлиевый буферный усилитель фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, входной полевой транзистор 3, затвор которого соединен с входом 1 устройства, сток связан с первой 4 шиной источника питания, выходной биполярный транзистор 5, эмиттер которого соединен с выходом 2 устройства, коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, а база связана со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостаблизирующий двухполюсник. В схему введены первый 8 и второй 9 биполярные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 2 устройства и коллектору первого 8 биполярного транзистора, эмиттеры первого 8 и второго 9 биполярных транзисторов подключены к истоку входного полевого транзистора 3, а коллектор второго 9 биполярного транзистора связан с базой выходного биполярного транзистора 5. На чертеже фиг. 2 двухполюсник 10 моделирует свойства нагрузки Rн.
Рассмотрим работу предлагаемого буферного усилителя фиг. 2.
Статический режим БУ на чертеже фиг. 2 определяется первым 7 токостаблизирующим двухполюсником. При этом в схеме выполняются следующие токовые уравнения Кирхгофа
где IS3=ID3 – ток истока и ток стока входного полевого транзистора 3,
При положительном приращении напряжения на входе 1 увеличивается ток нагрузки двухполюсника 10 через эмиттерно-базовый p-n переход первого 8 биполярного транзистора, что приводит к увеличению тока эмиттера и коллектора второго 9 биполярного транзистора и запиранию выходного биполярного транзистора 5. При этом максимальный выходной ток 
будет определяться шириной канала входного полевого транзистора 3, а малосигнальное выходное сопротивление БУ фиг. 2 принимает относительно небольшие значения:
где 
мВ – температурный потенциал,
S3 – крутизна стоко-затворной характеристики входного полевого транзистора 3,
I0 – статический ток эмиттера первого 8 биполярного транзистора.
При отрицательном приращении напряжения на входе 1 уменьшается ток истока входного полевого транзистора 3, а также ток эмиттера и коллектора первого 8 и второго 9 биполярных транзисторов. В результате выходной биполярный транзистор 5 обеспечивает отрицательное приращение тока в двухполюснике нагрузки 10, причем максимальные значения этого тока
где 
– коэффициент усиления по току базы выходного биполярного транзистора 5.
Компьютерное моделирование схемы фиг. 2 в среде LTspice (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6) показывает, что заявляемая схема при ее реализации в рамках арсенид-галлиевых технологий [26-29] обеспечивает двуполярное изменение тока нагрузки при относительно небольших сопротивлениях Rн.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с БУ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент RU № 2523947 fig. 4, 2014 г.
2. Патент WO 2007135139, 2007 г.
3. Патент US 4.743.862, 1988 г.
4. Патент US 6.433.638, fig. 1a-2, 2002 г.
5. Патентная заявка US 20050253653, 2005 г.
6. Патент US 4.825.174, fig. 3, fig. 6, 1989 г.
7. Патент RU 2099856, fig. 3, 1997 г.
8. Патент US 4.904.953, fig. 2, 1990 г.
9. Патент US 7.896.339, fig. 4, 2011 г.
10. Патент US 6.342.814, 2002 г.
11. Патентная заявка US 2010/0182086, 2010 г.
12. Патент US 5.387.880, fig. 1, 1995 г.
13. Патент US 4.598.253, 1986 г.
14. Патент US 4.667.165, fig. 2, 1987 г.
15. Патент US 4.596.958, 1986 г.
16. Патент US 7.116.172, fig. 4, fig. 5, 2006 г.
17. Патент US 5.648.743, 1997 г.
18. Патент US 5.367.271, fig. 2, 1994 г.
19. Патентная заявка US 2000/0112075, fig. 3, 2000 г.
20. Патент US 5.065.043, fig. 1f, 1991 г.
21. Патентная заявка US 2007/0115056, fig. 2, 2007 г.
22. Патент US 7.548.117, fig. 5, 2009 г.
23. Патент EP 0 293486 B1, fig. 5, 1991 г.
24. Патент US 4.420.726, fig. 1 – fig. 3, 1983 г.
25. Проектирование низкотемпературных и радиационно-стойких аналоговых микросхем для обработки сигналов датчиков: монография / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, А.В. Бугакова. – М.: СОЛОН-Пресс, 2021. – 200 с.
26. M. Fresina, "Trends in GaAs HBTs for wireless and RF," 2011 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, Atlanta, GA, USA, 2011, pp. 150-153. doi: 10.1109/BCTM.2011.6082769
27. P. J. Zampardi, M. Sun, C. Cismaru and J. Li, "Prospects for a BiCFET III-V HBT Process," 2012 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), La Jolla, CA, USA, 2012, pp. 1-3. doi: 10.1109/CSICS.2012.6340116
28. W. Liu, D. Hill, D. Costa and J. S. Harris, "High-performance microwave AlGaAs-InGaAs Pnp HBT with high-DC current gain," in IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 2, no. 8, pp. 331-333, Aug. 1992. doi: 10.1109/75.153604
29. Peatman W. et al. InGaP-Plus™: advanced GaAs BiFET technology and applications // CS MANTECH Conference, May 14-17, 2007, Austin, Texas, USA. pp. 243-246.
Claims (1)
- Арсенид-галлиевый буферный усилитель, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, входной полевой транзистор (3), затвор которого соединен с входом (1) устройства, сток связан с первой (4) шиной источника питания, выходной биполярный транзистор (5), эмиттер которого соединен с выходом (2) устройства, коллектор подключен ко второй (6) шине источника питания, а база связана со второй (6) шиной источника питания через первый (7) токостаблизирующий двухполюсник, отличающийся тем, что в схему введены первый (8) и второй (9) биполярные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу (2) устройства и коллектору первого (8) биполярного транзистора, эмиттеры первого (8) и второго (9) биполярных транзисторов подключены к истоку входного полевого транзистора (3), а коллектор второго (9) биполярного транзистора связан с базой выходного биполярного транзистора (5).
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2784046C1 true RU2784046C1 (ru) | 2022-11-23 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4492932A (en) * | 1982-09-20 | 1985-01-08 | Asulab S.A. | Amplifier circuit having a high-impedance input and a low-impedance output |
| RU2766868C1 (ru) * | 2021-09-08 | 2022-03-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Арсенид-галлиевый буферный усилитель |
| RU2767976C1 (ru) * | 2021-09-09 | 2022-03-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) | Арсенид-галлиевый выходной каскад усилителя мощности |
| RU2770912C1 (ru) * | 2021-10-06 | 2022-04-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) | Дифференциальный усилитель на арсенид-галлиевых полевых транзисторах |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4492932A (en) * | 1982-09-20 | 1985-01-08 | Asulab S.A. | Amplifier circuit having a high-impedance input and a low-impedance output |
| RU2766868C1 (ru) * | 2021-09-08 | 2022-03-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Арсенид-галлиевый буферный усилитель |
| RU2767976C1 (ru) * | 2021-09-09 | 2022-03-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) | Арсенид-галлиевый выходной каскад усилителя мощности |
| RU2770912C1 (ru) * | 2021-10-06 | 2022-04-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) | Дифференциальный усилитель на арсенид-галлиевых полевых транзисторах |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2010278521A (ja) | 電力増幅器 | |
| RU2784046C1 (ru) | Арсенид-галлиевый буферный усилитель | |
| Larson et al. | An ultrahigh-speed GaAs MESFET operational amplifier | |
| Tomana et al. | A hybrid silicon carbide differential amplifier for 350 degrees C operation | |
| RU2766868C1 (ru) | Арсенид-галлиевый буферный усилитель | |
| RU2784049C1 (ru) | Неинвертирующий выходной каскад арсенид-галлиевого операционного усилителя | |
| RU2773912C1 (ru) | Арсенид-галлиевый выходной каскад быстродействующего операционного усилителя | |
| RU2796638C1 (ru) | Биполярно-полевой арсенид-галлиевый буферный усилитель | |
| RU2789482C1 (ru) | Двухтактный арсенид-галлиевый буферный усилитель с малой зоной нечувствительности амплитудной характеристики | |
| RU2390916C1 (ru) | Прецизионный операционный усилитель | |
| RU2784376C1 (ru) | АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫЙ БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ n-КАНАЛЬНЫХ ПОЛЕВЫХ И p-n-p БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ | |
| RU2767976C1 (ru) | Арсенид-галлиевый выходной каскад усилителя мощности | |
| RU2536672C1 (ru) | Составной транзистор с малой выходной емкостью | |
| Muller et al. | A small chip size 2 W, 62% efficient HBT MMIC for 3 V PCN applications | |
| RU2788498C1 (ru) | Арсенид-галлиевый буферный усилитель на полевых и биполярных p-n-p транзисторах | |
| JP2012023583A (ja) | 差動増幅回路、レギュレータモジュール及びハイパワーアンプ | |
| RU2786943C1 (ru) | Арсенид-галлиевый входной дифференциальный каскад класса ав быстродействующего операционного усилителя | |
| Chumakov et al. | Gallium arsenide buffer amplifier | |
| RU2771316C1 (ru) | Арсенид-галлиевый буферный усилитель | |
| Fathi et al. | Sensors and amplifiers: Sensor output signal amplification systems | |
| Zhang et al. | Emitter-length scalable small signal and noise modeling for InP heterojunction bipolar transistors | |
| AA et al. | Output Stages of Operational Amplifiers Based on Gallium Arsenide NJFET and Bipolar PNP Transistors. | |
| Dvornikov et al. | Methodology of Circuit Modeling of Charge-Sensitive Amplifiers Based on Wide-Band-Gap (GaAs, GaN) D-FETs | |
| Cherepanov et al. | Integrated low noise amplifiers for cryogenic applications | |
| Kim et al. | Integrated amplifiers using fully ion-implanted InP JFETs with high transconductance |